7月22日，八路军总司令朱德、副总司令彭德怀、副参谋长左权下达《战役预备命令》，规定以不少于22个团的兵力，大举破击正太铁路。同时要求对同蒲、平汉、津浦、北宁、德石等铁路以及华北一些主要公路线，也部署适当兵力展开广泛的破击，以配合正太铁路的破击战。8月8日，朱德、彭德怀、左权下达《战役行动命令》，规定：晋察冀军区破击正太铁路石家庄至阳泉(不含)段;第129师破击正太铁路阳泉(含)至榆次段;第120师破击忻县以北的同蒲铁路和汾(阳)离(石)公路，并以重兵置于阳曲南北地区，阻击日军向正太铁路增援。要求各部在破击交通线的同时，相机收复日军占领的一些据点。在这些地区和交通线上，驻有日军3个师团全部、2个师团的各2个联队、5个独立混成旅团全部、4个独立混成旅团的各2个大队、1个骑兵旅团的2个大队，共20余万人，另有飞机150架和伪军约15万人。

按八路军总部原来规定，参战兵力不少于22个团。但战役发起后，由于八路军广大指战员和抗日根据地民众痛恨日军的"囚笼政策",参加破击战的积极性非常高，因此各部投入了大量兵力，计晋察冀军区39个团、第129师(含决死队第1、第3纵队等)46个团、第120师(含决死队第2、第4纵队等)20个团，共105个团20余万人，还有许多地方游击队和民兵参加作战。

当彭德怀、左权在八路军总部作战室听取战役情况汇报、得知实际参战兵力达到105个团时，左权兴奋地说："好!这是百团大战。"彭德怀说："不管一百多少个团，干脆就把这次战役叫做百团大战好了!"由此，正太战役就发展成为百团大战。这次战役经历了两个主动进攻阶段和一个反"扫荡"阶段。

第一阶段(8月20日至9月10日)。八路军在正太、同蒲、平汉、津浦等主要交通线发动总攻击，重点破坏了正太铁路。经过20天的战斗，预定计划全部完成。正太铁路线的路轨、桥梁、隧道、水塔、车站等均被破坏;平汉、同蒲(北段)、石德、北宁铁路以及主要公路也被切断;华北各交通线陷于瘫痪。

第二阶段(9月22日至10月上旬)。任务是继续扩大战果，摧毁交通线两侧和深入各抗日根据地的敌伪据点。在这段时间里，我晋察冀军区主要进行了涞灵战役，第129师主要进行了榆辽战役，第120师主要破袭了同蒲路。在这些战斗中，八路军给敌人以沉重打击;但是，我军计划要拔除的敌据点未能全部拔除。