1940年夏秋，日本帝國主義在德國法西斯軍隊橫掃西、北歐，取得暫時勝利的刺激下，決心乘美國的戰備尚未完成，英國在歐戰中遭受嚴重失敗而無力東顧之機，「迅速解決中國事變，同時抓住有利時機解決南方問題」。「集中運用政略戰略的綜合力量，特別要徹底杜絕第三國的援蔣行為，採取一切手段，務使重慶政權早日屈服」，以便早日結束侵華戰爭，準備發動太平洋戰爭。為此，日軍在華北地區加緊推行「治安肅正」計畫和「以鐵路力柱，公路為鏈，碉堡為鎖」的「囚籠」政策；在華中攻佔襄樊、宜昌，加強對重慶等地的空襲；在西南迫使英、法封閉了從越南、緬甸通往中國雲南的國際公路，切斷了經西南的國際援助；並揚言要「南取昆明，中攻重慶，北犯西安」，以軍事壓力配合政治誘降，企圖迫使國民政府屈服。
日軍全面加強對中國的經濟封鎖，軍事進攻和政治誘降，給中國抗戰增加了更大的困難，國民黨內的一些人更加動搖，妥協投降危機空前嚴重。
為粉碎日軍對華北的全面進攻，打擊其「囚籠」政策，爭取華北戰局更有利地發展，並影響全國的抗戰局勢，克服國民黨投降的危險，八路軍總部決定發動一次以破擊正太路為中心的對華北日軍交通線的大規模進攻戰役。由於戰役發起第3天，八路軍參戰部隊迅速增至105個團，故稱「百團大戰」。
正太鐵路，從河北石家莊到山西太原，全長200餘公里，橫員太行山脈，把巍巍太行劈為兩截。它是日軍連接山西、河北的重要交通命脈，也是日軍施行「囚籠」政策的重要支柱之一。日軍在鐵路沿線大小城鎮、車站和橋樑、隧道附近，均築有堅固據點，各以數十人至數百人守備，並經常派裝甲列車進行巡邏。鐵路兩側10至15公里的要點，還築有一線外圍據點。日軍自詡正太鐵路是一條「鋼鐵封鎖線」。日軍以此隔絕八路軍總部、第129師活動的太行抗日根據地與晉察冀抗日根據地的聯繫，並以此為依託，進攻抗日根據地。
1940年7月22日，八路軍總部向晉享冀軍區、第129師、第120師下達關於以破擊正大路為中心的《戰役預備命令》，並上報中共中央軍委。《命令》在分析了國內外形勢的變化後指出：八路軍應以積極的行動在華北戰場開展較大勝利的戰鬥，破壞日軍進攻西北的計畫，創造顯著戰績，影響全國的抗戰局勢，興奮抗戰軍民，爭取時局好轉。這是嚴重的政治任務。為打擊「囚籠」政策，打破日軍進犯西安的企圖，爭取華北戰局更有利的發展，決定趁目前青紗帳與雨季時節，日軍對晉察冀、晉西北及晉東南「掃蕩」較為緩和，正大路沿線較為空虛的有利時機，大學破擊正太路。同時，對其他重要鐵路，特別是平漢、同蒲路，應組織有計畫的總破襲，以配合正大路破擊戰的行動，規定直接參加正太路作戰的總兵力應不少於22個團，要求晉察冀軍區派出10個團，第129師派出8個團，第120師派出4至6個團。總部炮兵團大部、工兵一部也參戰，在其他鐵路線配合作戰的兵力，由各集團自行安排。
8月8日，八路軍總部下達《戰役行動命令》，確定了戰役部署和作戰地域；晉察冀軍區以主力10個團破擊正太路平定（不含）至石家莊段，重點破擊娘子關至平定段；對邊區周圍的北寧、津浦，德石、滄石、平漢等鐵路，應同時分派足夠部隊破擊之，阻擊可能向正太路增援之敵。第129師以主力8個團，附總部炮兵團1個營，破擊平定（含）至榆次段，重點破擊陽泉至張凈段；對根據地周圍的平漢、德石、同蒲、白晉路及邯大、臨屯公路，應同時分派足夠部隊破擊之；對平遼公路應派有力部隊積極活動，第120師以4至6個團破擊平遙以北之同蒲路及汾離公路；破擊同蒲路部署應以主要乒力置於陽曲南北地區，阻敵向正太路增援，并力求以約2個團進至榆次南北地區，配合第129師作戰；對晉西北腹地內各個敵據點及交通線，應分派部隊積極破襲。總部特務團集結於下良，西營地區待命，戰役統一由八路軍總部指揮。戰役發起時間為8月20日。
戰役首先從正太路發起，爾後迅速擴展到除山東以外的整個華北地區和主要交通線，其中包括：冀察全境、晉綏大部和熱河南部地區；正太、平古路全線，安陽以北之平漢路，德州以北之津浦路，臨汾以北之同蒲路，歸綏以東之平綏路，北寧路之山海關至北平段，白晉路之平遙至壺關段，以及正在修築的德石路、滄石公路等。在這些地區和交通線，駐有日軍3個師團及另2個帥團的各2個聯隊，5個獨立混成旅團及另4個獨立混成旅團的各2個大隊，1個騎兵旅團的2個大隊，共20餘萬人，飛機約150架，另有偽軍約1.4萬人。其中駐正大路沿線及其附近地區的有獨立混成第4旅團（駐娘子關及其以西，司令部駐陽泉）、第8旅團（駐娘子關以東，司令部駐石家莊）、第9旅團（駐太原附近地區）。八路軍參戰兵力，計晉察冀軍區39個團，第120師（含決死第2、第4縱隊）20個團，第129師（含決死第1、第3縱隊）46個團，共計105個團，20餘萬人。此外，尚有許多地方游擊隊和民兵參加作戰。
百團大戰經歷了兩個主動進攻階段和一個反「掃蕩」階段。
戰役第一階段（8月20日至9月10日），中心任務是破擊日軍交通線，重點摧毀正太鐵路。
8月20日夜，正太路破擊戰全面展開。八路軍參戰部隊避開日軍的外圍據點，直接隱蔽運動到正太路兩側，突然發起全線攻擊。日軍事前毫無察覺，措手不及，一時全線被動。
晉察冀軍區在司令員兼政治委員聶榮臻指揮下，以8個步兵團、1個騎兵團又2個騎兵營、3個炮兵連、1個工兵連和5個游擊支隊，組成3支主力縱隊（即右縱隊、中央縱隊、左縱隊）、1支鉗制部隊和總預備隊，擔負正大路作戰任務，破擊正太路之陽泉至石家莊段，同時，對平漢路高碑店至石家莊（不含）段、北寧路北平至山海關段、津浦路泊頭鎮至唐官屯段及滄石公路等，也作了相應部署，要求必須切斷上述日軍交通線，保證主攻方面作戰的順利進行，此外，還部署第2、第5，第8軍分區部隊，分別在同蒲路北段、雁北地區及津浦路沿線進行鉗制活動，晉察冀軍區右縱隊（轄第5、第19團）負責破擊正太路娘子關至亂柳段。20日至27日，該縱隊兩度攻佔娘子關、兩次攻入磨河灘、移穰車站，並攻入巨城，炸毀了岩會附近的9孔大石橋、移穰東面的8孔石橋以及程家隴底、西武庄間的石橋，燒毀程家隴底以東木橋。中央縱隊（轄第2、第3、第16團）負責破擊正太路娘子關（不含）至微水段和井陘煤礦。20日夜，該縱隊對井陘煤礦的崗頭老礦和東王舍新礦同時發起攻擊，在礦工幫助下，切斷電源，迅速攻入新礦，第2天下午全殲守敵，並對煤礦進行破壞，使其半年以上不能恢複生產。同時，攻佔賈庄、南正、蔡庄、地都，攻入北峪，南峪等日軍據點，並破壞了南正至微水間鐵路，炸毀乏驢嶺鐵橋及北峪石橋。左縱隊（轄冀中警備旅第2團、軍區特務團、平井茯支隊）負責破擊微水至石家莊段。20日夜，該縱隊攻擊岩峰，爆破鐵路；破壞岩峰至威州電線、公路。22日夜，攻擊上安車站。23日夜，攻擊頭泉車站。隨後撤出鐵路沿線，25日至27日，破擊平山、獲鹿、微水、岩峰間公路。
第129師在師長劉伯承、政治委員鄧小平指揮下，以10個步兵團、3個獨立營、4個工兵連，分別組成左翼破擊隊、右翼破擊隊、平和支隊和總預備隊（即中央縱隊），擔負正太路西段的破擊任務，另以28個團及廣大地方武裝分別從冀南、太行、太岳向平漢、白晉、同蒲路和邯長公路等進行廣泛的破擊，策應正太戰役。第129師左翼破擊隊（轄第386旅第16團、決死第1縱隊第38、第25團等部）負責破擊正太路壽陽至榆次段，曾攻入蘆家莊車站，連克碉堡4座，將守敵大部殲滅，炸毀了蘆家莊至段廷之間的所有橋樑，並攻佔了上湖、和尚足、馬首車站。右翼破擊隊（轄新編第10旅第28、第30團等）任務是破擊正太路陽泉至壽陽段。20日晚至23日，攻克桑掌、燕子溝、狼峪、芹泉、坡頭、辛庄、寨魚、鐵爐溝、小庄、張庄等車站、據點。總預備隊（轄第385旅第769、第14團、第386旅第772團）於22日和25日兩次強襲平定西南冶西之敵，佔領冶西，將落摩寺日軍圍困10天，到8月31日將其全殲。為掩護師主力破擊作戰，戰役開始時，總預備隊第14團即佔領獅堖山。獅堖山位於陽泉西南4公里處，佔領該地可以控制陽泉以西十幾公里的鐵路線，對陽泉構成嚴重威脅。日軍獨立混成第4旅團為挽救其守備部隊被各個殲滅的命運，扭轉陽泉的被動局面，集中陽泉日軍，並武裝日本僑民，共數百人，連日猛攻獅堖山。至26日，第14團在堅守6晝夜，殲敵400餘人之後，主動撤出獅堖山主峰。
第120師在師長賀龍、政治委員關嚮應指揮下，以2個步兵團破擊同