正當長江前線、西南後方皆被日軍進攻、轟炸得一塌糊塗，日本人進而在盤算端重慶老窩之時，蔣介石突然收到第十八集團軍總司令朱德、副總司令彭德懷打來的電報。蔣介石見電，頓時感到又驚又喜又疑，只見電文上白紙黑字寫著：
委員長蔣鈞鑒：
（一）奉委座迭次電稱：敵在太原集中兩師團之兵力，漸增強晉南，準備進攻潼洛。又據職部各兵團迭次報稱：關外之敵向關內增加，津浦及冀中、冀南敵陸續南移，向隴海東段集中，似有進攻潼洛犯我西北，斷我西北國際交通線企圖。
（二）為打擊敵人企圖，配合晉南及華中各友軍作戰，保衛西北，打破敵消滅華北抗日根據地實行這一政策的毒計，職部決以組織百團兵力，對正太線進行大規模的進攻戰。限期截斷該線，徹底毀滅鐵路交通及主要公路線，進行大規模的破壞，截斷其交通，以徹底粉碎敵寇進犯西北之企圖，爭取整個戰局之好轉。百團大戰已經歷一月之準備，但恐電報機密不密，恐有泄漏，故未早報，特此申明。
（三）百團大戰除職部之一一五師主力、山東部隊未編入戰鬥序列外，一二零師、晉察冀軍區各部主力及決死隊之請求參戰部隊，計105個團，這是華北抗戰以來空前未有的積極主力向敵進攻。謹將大戰兵力部署報告如下：（甲）正太線30個團。（乙）平漢線由盧溝橋至邯鄲段15個團。（丙）同浦線大同至洪洞線12個團。（丁）津浦線由天津至德州段4個團。（戊）汾軍公路6個團。（巳）白晉線6個團。（庚）北寧線2個團，（辛）平綏線2個團。（壬）泡石線4個團。（癸）德石路4個團，（子）邯鄲線3個團，（丑）代縣至蔚具線4個團。（寅）平大線北平至大同6個團。（卯）遼平線遼縣平順3個團，寧武、岢嵐、靜樂4個團，共105個團，並已分為三個集團，分由聶榮臻、賀龍、關嚮應、劉伯承、鄧小平指揮之。
大戰已於8月20號20時開始，戰鬥序戰勝利，已全部取得正大全線交通截斷。大戰正在發展中，戰況請見戰報。請分電各戰區，各友軍部隊，抑制當前之敵，以利大戰之進展。謹電奉聞。
職朱德、彭德懷。養。
蔣介石拿著那份電報，狐疑了老久，好半天回不過神來，不敢相信這事實。八路軍何時發展壯大到這種程度？不可思議！
蔣介石和重慶統帥部的那幫子高參們，也感到些許欣慰，共產黨與國民黨畢竟是在共同對同一個敵人作戰，當國民黨長江方面戰場遭到重大打擊，陪都重慶正處在危急之時，突然來了這樣一場百團大戰，從背後狠狠捅了日本人一刀子，大大減輕了長江方面的壓力。可見，共產黨為挽救民族危亡，在抗日統一戰線大旗下奮勇對敵作戰確屬言行一致。
蔣介石立即分電各戰區注意當面日軍行動，牽制其轉兵北上。又令駐守於晉南中條山的衛立煌部隊派出部隊，破壞鐵路公路，協同百團大戰。
這以後，從8月22日至9月底，朱德、彭德懷每天平均向蔣介石打來三至四份百團大戰的戰報。每一份戰報都詳細陳述八路軍或大部隊，或小部隊，向日軍進攻；或取得大勝利，或取得小勝利。現摘錄幾份如下：
第八號要報，8月24日。
委員長蔣鈞鑒：
百團大戰第八號要報。據職部劉師長伯承養電稱：我陳賡旅陳正洪團，配合決死隊馬晚突向白晉路南關、沁縣段攻擊，戰報如下：
（一）陳團部晚乘大雨攻擊漳源（沁縣北），三層鐵絲網衝破，當攻入街內，敵四百餘退守民房頑抗，經我強攻殲敵過半。翌晨，正肅清殘敵之際，敵復由沁縣來援百餘向我猛攻，惡戰四小時之久，將敵擊退，敵傷亡甚重，刻我軍大肆破壞中，是役，共斃傷敵四百餘，繳獲正清查中。我副團長吳隆身先士卒，受傷，因流血過多於今晨逝世，以下傷亡官兵二百餘名。陳團另一部，今晨攻擊故城（武鄉西北），經數次強攻未遂，敵施放大量毒氣，我中毒官兵百餘，傷亡五十餘，敵死傷尤重。現漳源至石壁南段鐵路完全破壞，不能通車。
（二）決死隊今以部分頭攻擊回松村牛寺（沁縣北），因敵頑抗未奏效，然敵死傷甚多，並將沁縣北至漳源鐵路全破壞，收電線八百餘斤。沁縣襄垣段破壞部隊結果待報。等情。謹聞。
職朱德、彭德懷叩敬
日軍從中央統帥部到侵華日軍上上下下，對八路軍發動的這場突然襲擊，盡皆大驚失色。日軍中央陸軍部竟怪異地驚呼：「……中共軍竟於8月20日夜，在華北斷然發動了號稱『百團大戰』的大反攻，」「給予華北方面軍以極大打擊」。
日軍華北方面軍作戰記錄中記載：盤踞華北一帶的共軍，按照第十八集團軍總司令朱德部署的所謂「百團大戰」，於1940年8月20日夜，一齊向我交通線及生產地區（主要為礦山）進行奇襲。特別是在山西，其勢更猛，在襲擊石太路及同蒲路北段警備隊時，並炸毀和破壞鐵路、橋樑及通信設施，使井阱煤礦等處設備，遭到徹底破壞。此次襲擊，完全出乎我軍意料之外，損失甚大，需要長期和巨款才能恢複。
抗戰以來，驕橫無忌的日軍從未把人民的抗戰力量放在眼裡，認為華北已是他們的佔領區，是他們的天下了，是他們安全的「後院」。截止1940年10月，日軍的兵力部署情況是：「如以當時華北兵力的密度為1，則武漢地區及長江下游三角地帶為3.5，華南為3.9。」
百團大戰的發動，打得整個華北的日軍措手不及，驚呼「日軍從未想到中共勢力竟能擴大到如此程度」，「完全出乎日軍意料」。中國派遣軍總部急忙從武漢第十一軍抽調第三十三師團，從上海地區第十三軍抽調第十七師團，轉屬華北方面軍，對「過去一直潛伏地下的八路軍」進行反撲。
這是一次完全成功的大兵團奇襲作戰，其成功的奧妙遠遠超過戰果本身。
大戰結束，蔣介石馬上發出通電，「嘉獎」朱德、彭德懷和所有參戰將士：「貴部窺此良機，斷然出擊，予敵甚大打擊，特此嘉獎。」
重慶等地各界民眾發起慰問參戰部隊的活動，歷時達一周之久。
這樣，自8月20日起到12月5日止，歷時3個月又15天的百團大戰，以我敵後軍民的偉大勝利、敵人的慘重失敗而告終。中共中央決定，戰役停止，但為了迷惑敵人，對外保密。1940年12月22日，正在延安的毛澤東、朱德、王稼祥，致電彭德懷：「百團大戰對外不要宣布結束。」
百團大戰是抗日戰爭期間中國共產黨在十分艱苦的條件下，獨立發動的規模最大、參戰兵力最多、持續時間最長、戰果也最為輝煌的一次全面進攻性戰役。在長達近三個半月的戰役中，華北敵後戰場數十萬軍民，與日本侵略者進行了浴血奮戰，表現了中華民族不屈不撓的英雄氣概，是中國共產黨對奪取中國抗日戰爭最後勝利的最大貢獻之一。
百團大戰對日軍的打擊是沉重的，連日軍自己也不得不承認「遭受共軍『百團攻勢』的日軍，從各地的兵團直到各軍、方面軍，均由痛苦的經驗中取得了寶貴的教訓，改變了對共產黨的認識。」
百團大戰勝利的消息，久久地震蕩在當時我們多災多難的國家上空，國內民氣為之一振。1940年9月25日，朱德在《八路軍軍政雜誌》刊文論述了百團大戰的意義，指出它牽制了敵人進攻我大西北後方及進攻西南的企圖，打破了敵人對付我抗日根據地的「囚籠政策」，嚴重地打擊了敵人的「以戰養戰」的陰謀。
《大公報》1940年9月6日載文報道：自上月20日以來，我軍在北方發動了大規模的運動戰，平漢、正太、同蒲三路同時發動反攻，鐵路到處被破壞……這個攻勢，方在發動，已凌厲無前，收穫佳果；而三軍用命，人人奮勇，攻勢正猛，戰果必仍將擴大。北方的勝利方在開始，而在全局上的意義尤其重大。
百團大戰的勝利在國際上也引起了震動。蘇聯《紅星報》評論說：「華北之中國軍隊，目前正在山西省進行主動性之作戰。第八路軍正展開大規模之攻勢。游擊戰在山東省與北平附近亦正趨於激化，中國人……始終表現高度之民氣，對自身力量具有信念。中國人民為自由獨立、爭取最後勝利而戰，依然表現最大之決心而不能動搖。」美國著名記者史沫特萊寫道：「經過長時間的籌劃，朱德和彭德懷在1940年8月初發布最後命令，對日軍展開百團大戰。……整個華北地區，從晉北山區到東海岸，從南面的黃河到北面的長城，都成了戰場。戰鬥日以繼夜，一連廝殺了五個月。一百團打擊了敵人的整個經濟、交通線和封鎖網。戰鬥是熾烈而無情的。敵人所有的煤礦、電廠、鐵路、橋樑、公路車輛和電訊都遭到破壞。」