面對猖獗進犯的日本侵略軍，晉察冀軍區司令員聶榮臻心裡清楚，軍區新組建的部隊，除了一部分老的骨幹力量外，大多數還沒有作戰經驗，形勢是相當嚴峻的。
11月23日，反圍攻作戰開始的前一天，聶榮臻在給「毛朱彭任周」及各軍分區領導人的電文中，對敵情作了如下判斷：
因敵深入我境，後方聯絡線延長，八路軍不斷地襲擾，晉察冀義軍紛起，聲勢頗大，故敵有肅清聯絡線、鞏固後路之必要。因此敵人可能向我晉察冀區開始進攻，在東面首先佔滿（城）、完（縣）、唐（縣）、曲（陽）、行（唐）、靈（壽）、平（山）等縣，逐我進山區，離平漢路。西面有進攻五台、盂縣，分為據點之企圖。
根據這一判斷，基於日軍對地形生疏、有不少偽軍參戰、不敢貿然深入我腹地的弱點，聶榮臻決心把有基礎、有經驗的部隊部署在機動位置上，相機打擊敵人，以大量新組建的游擊武裝對敵人進行伏擊、側擊、夜襲。其具體部署是：以第1軍分區主力於廣（靈）、靈（丘）、淶（源）之間，第2軍分區主力於五台地區，第4軍分區主力於上社鎮、洪子店地區，第3軍分區主力於阜平地區隱蔽集結，待機殲敵。
11月23日，晉察冀軍區發出反圍攻作戰指示，要求各軍分區加強偵察，迅速完成作戰部署和各項準備工作，發動與組織群眾實行堅壁清野和封鎖消息。
11月24日，由平漢鐵路沿線出動之敵第14師團分兩路向西進犯。
一路日軍3000餘人，由保定和易縣出動，在飛機掩護下向淶源進犯。其中由易縣西犯之敵於12月2日進佔大龍華。該敵由於沿途遭游擊隊襲擾，已十分疲憊，疏於戒備。據此情況，晉察冀軍區第1支隊，以一部於當日夜襲擊大龍華，一舉突入鎮內，與敵展開巷戰，激戰一夜，殲敵200餘人，殘敵100餘人逃回易縣；由保定西犯之敵，被八路軍騎兵營阻止於滿城附近。
一路敵軍1000餘人，由定縣、新樂向曲陽、行唐進犯。該敵於高門屯和豆家莊遭第4支隊的有力阻擊，於是企圖進佔曲陽之敵退回保定。由新樂出動之敵在進佔行唐後，也停滯不前。至此，由平漢鐵路西犯之敵遂停止向晉察冀邊區腹地進犯。
由同蒲鐵路東犯之敵關東軍察哈爾派遣兵團一部1400餘人，由應縣出動，在佔領渾源後繼續向廣靈進犯。11月27日，八路軍第1支隊主力於渾源、廣靈間之亂嶺關的道路兩側高地設伏。敵軍進入伏擊區時，突遭猛攻。經數小時的激戰，第1支隊殲敵200餘人，隨即主動撤出戰鬥。敵進佔廣靈縣城後未敢冒進。
由平綏鐵路南犯之敵關東軍察哈爾派遣兵團3400餘人，由懷來、天鎮分兩路南犯，並於12月4日佔領蔚縣後，分別向廣靈、淶源進犯。5日，八路軍第1支隊主力一部佔領蔚縣南之北口村，截擊由蔚縣南犯之敵。當敵進入該地谷口時，第1支隊居高臨下，以猛烈火力襲擊敵人，並乘敵混亂之際發起衝擊，經半日激戰，殲敵200餘人，迫敵退守蔚縣。
此次反圍攻作戰是關係八路軍能不能在敵後站住腳跟的第一場嚴峻考驗，因此毛澤東極為重視。
聶榮臻回憶說：「黨中央和毛澤東同志一直關心著我們，注視著我們。因為，這是我們黨在敵後創立的第一個抗日根據地。」
在晉察冀根據地反圍攻的日子裡，毛澤東常常日夜關注戰局的發展，並通宵達旦地研究敵情，思考對策。11月27日，他致電八路軍總部朱德、任弼時，提出反圍攻要進行三方面的準備工作：加強新部隊的政治教育和黨的工作；加強新部隊必要的軍事和游擊戰爭的訓練；加強動員地方民眾的工作。
12月5日，在戰局發展的關鍵時刻，毛澤東和回延安參加政治局會議的彭德懷又致電朱德、任弼時並轉晉察冀軍區，提出：
對進攻晉察冀邊之敵，除上月29日電及你們來電外，請注意以下幾點：
1、避免正面抵抗，襲擊敵之後尾部隊。
2、在敵之遠近後方活動，使敵處於我包圍之中。
3、同蒲、正太路必須積極活動，予以有力的配合。
4、注意在敵後方破壞偽組織、偽軍。
5、加緊瓦解敵軍工作。
6、在確實有利條件下，集結適當力量給敵以部分殲滅和有力打擊，增加敵恐怖與困難是必要的，但須詳細審慎。
同時，毛澤東還電令第120師和第129師分別在同蒲路、正太路積極活動，配合晉察冀根據地的反圍攻鬥爭。
遵照上述指示，晉察冀軍區部隊積極在敵遠近後方活動，抓住有利戰機打擊敵人。
1937年12月14日，第2支隊乘代縣、原平、忻口之敵第109師團一部1000餘人進佔繁峙後方空虛之際，夜襲原平鎮，一舉攻克該鎮，殲敵100餘人，殘敵分向代縣、忻口逃竄。此時進佔繁峙之敵迅速回援，第2支隊隨即轉移。
12月中旬，正太鐵路之敵第5、第109師團各一部共4000人，分別向平山、盂縣進犯，在八路軍第3支隊與群眾武裝的連續打擊下，十分疲憊。聶榮臻及時抓住這一有利戰機，令第115師344旅由五台西南之東冶鎮進至平山以西之洪子店地區，協同第3支隊伺機打擊進犯平山之敵。
15日，日軍第109師團一部1500餘人，由壽陽、平定出動合擊盂縣。第3支隊集中主力於盂縣東南地區隱蔽待機，當由平定出動之敵進至清城鎮時，該支隊乘其立足未穩，突然發起攻擊，激戰至黃昏，殲敵200餘人，爾後主動撤出戰鬥。同日，八路軍第344旅以687團一部，於小寨地區設伏，擊退自井陘北犯之敵，殲其100餘人。
21日，井陘、平山之敵同時分途向八路軍駐房山和東西回舍之部隊襲擊。當日黃昏，井陘之敵進到南北馬冢，平山之敵進到溫塘以東之婁汁崗後，既未進攻也未撤退，而在此兩地駐了下來。根據情況判斷，「敵人明日（22日）有進攻溫塘之可能，得手後再會合向洪子店前進，把我軍驅逐到洪子店西北地區」。第344旅與曾支隊決心選擇有利地形，伏擊較弱的左路敵人而消滅它。
為了消滅入侵之敵，各參戰部隊均按時到達指定位置，隱蔽於西板山東南山地。21日9時，溫塘東面槍聲四起，南北馬冢之敵全部前進，敵先頭部隊通過新莊時，八路軍右翼部隊即分多路向敵猛烈突擊，通過新莊之敵即搶佔溝西山地，與第5支隊對峙，敵人主力被八路軍擊潰後壓入溝中，一部佔領新莊村落和以西南山地。八路軍指戰員英勇作戰，反覆衝鋒，將山頭上的敵人擊潰。敵人將機槍、炮身均丟在溝中，大部敵人佔領房屋和水溝繼續頑抗。這時，敵人已經被八路軍全部包圍，但是不肯交槍，並以小部向平山方向退走，戰鬥成對峙局面。
此時，溫塘東面亦發生了激烈戰鬥，晉察冀軍區在該地區的其他部隊與敵人接觸1小時後即撤到溫塘以西地區與敵對峙。13時左右，平山方向七八百敵人，火炮數門火速前來增援。援敵約二三百人，在炮火掩護下首先對溫塘以西八路軍陣地發起猛攻。
八路軍冒著敵人的炮火，沉著應戰，敵人攻擊未果。敵人另一大部經侯家莊、台頭增援新莊被圍之敵。
344旅指揮所發現敵人援兵已到，而溝內被圍之敵又不能迅速解決，遂命令突擊部隊以小部監視敵人，主力撤回西板山附近，到黃昏時再解決溝中之敵，並拾取敵人拋棄在溝中的機槍、大炮和行李、彈藥等物品。
敵人增援部隊接近新莊，其炮兵即向新莊以南八路軍陣地進行連續轟擊，溝中之敵亦乘機進行反攻，雖然敵人的反攻並不猛烈，但由於八路軍部隊中大多為新戰士，而且幹部、戰士均無對付敵人炮戰的經驗，當敵人的炮彈打來時，到處亂跑，部隊的傷亡較大，致使陳團長、劉營長犧牲在敵人的炮火中。
由於戰局之發展對我不利，到16時，八路軍各攻擊部隊接到撤退的命令，敵人亦未敢輕舉妄動，戰鬥遂告結束。經過此戰，殲敵400餘人，余敵退回平山，未敢復出。