1940年8月8日，八路軍總部發布了《戰役行動命令》，決定於8月20日開始戰鬥。
接到上述命令後，聶榮臻、賀龍、關嚮應、劉伯承、鄧小平等人按照預定方案分別檢查了所屬部隊各項準備工作落實情況，對戰役部署作了相應的調整。
河北阜平，晉察冀軍區司令部。
司令部設在一個不顯眼的小山村裡。只有走進院落，穿過幾株高大的槐樹，望見從屋脊上隱蔽地伸出的天線和電話線，才會明白這裡是軍事指揮部。
聶榮臻主持召開主攻兵團首長會議，研究確定具體戰役部署。
會上，聶榮臻首先發言道：「同志們，八路軍前方總部發布了戰役命令，晉察冀軍區將與冀魯豫軍區、晉綏軍區一起，對全華北敵人佔領的交通線及其沿線城鎮據點，發動大規模的破襲戰。我們晉察冀軍區的任務是：負責破襲正太路石家莊至平定段，破襲重點為娘子關至井陘煤礦段及其兩側地區，並且對平漢路、北寧路、津浦路、德石路、滄石路等鐵路和公路線段進行廣泛破襲，以阻止敵人向正太路增援！」
「好哇！」到會的各軍分區的領導都驚喜地歡呼起來，這可是抗戰以來，八路軍發起的一次最大規模的破襲戰役啊。
「下面，由聶鶴亭參謀長講一下具體部署。」聶榮臻以手示意，讓各分區領導安靜下來。
聶鶴亭是位老紅軍，在南昌起義時就是排長了。他對司令部工作很有經驗。他和聶榮臻一起擬訂的作戰計畫，已經得到了八路軍總部的批准。他說道：經研究決定，我們軍區這次擬抽調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，共約10個團，分別組成3個縱隊：右縱隊由郭天民、劉道生指揮，破擊娘子關至亂柳段；左縱隊由熊伯濤指揮，破擊上安到微水段；中央縱隊由楊成武指揮，擔負微水至娘子關段破擊任務，並為主要攻擊方向，另外還有1個總預備隊。其餘部隊對平漢、北寧、津浦、滄石等鐵路、公路進行破擊。
聶榮臻接著說：「這次破襲戰，是在很長的戰線上進行的廣泛攻堅戰。遵照八路軍總部的規定，大家一定要注意：一是要特別重視偵察工作，立即派出人員，偵察敵情、地形，只有知己知彼，才能百戰不殆；二是部隊開進和一切行動要秘密、迅速，請政治部通知各級政府密切配合部隊的行動；三是儘可能爭取時間，組織部隊進行爆破鐵路、橋樑、敵人據點等的訓練；四是戰役發起時間統一於8月20日22時，到時一齊動作，大家一定要切實執行，這點暫時只有到會的人知道，不準下達。」
會議結束後，聶榮臻立即率一個精幹的指揮班子趕赴前線，抵近敵人進行偵察。
晉察冀軍區司令部偵察科平時對正太路、平漢路、同蒲路沿線的敵情都是了解得比較清楚的，但是對這次正太戰役進攻重點之一的井陘煤礦，卻了解甚少。聶鶴亭、羅文坊等人全部化裝成當地老百姓，接近礦區的外圍，然後由羅文坊帶上幾名偵察員，在礦區地下黨的接應下進入礦區偵察，對守礦的日軍、偽軍和礦警的兵力分布與活動規律等情況，都基本摸清了。
1940年8月20日下午4時，楊成武率部到達距井陘煤礦只有約5公里的山野里。他帶上前方指揮所人員和3個團的團、營幹部，深入到煤礦近處偵察，選擇突破口。
山西和順縣石拐鎮，第129師前方指揮所。
劉伯承和鄧小平在戰役發起前，做了大量細緻的準備工作。劉伯承專門對司令部的人員做了交代：
這次本師遂行的是大規模破襲戰役，敵在沿線城鎮、車站、橋樑、隧道附近，築有堅固的防禦工事；在鐵路兩側10至15公里地區，還設有外圍據點。在此情況下，我軍必須先攻佔敵據點，爾後才能實施破路。因此，大破襲首先是對據點的戰鬥，不可避免地要進行強襲和攻堅，應把困難想得多一點，把準備工作考慮得更周到一些。準備工作要突出偵察、防諜和技術戰術3個方面。
按照劉伯承的指示，第129師迅即掀起練兵爆破熱潮。尤其對偵察工作，上下都非常重視，領導和參謀人員都出動偵察。385旅旅長陳錫聯回憶說：「我們這些旅幹部，當時都化裝去鐵路沿線偵察了地形。」偵察人員還深入虎穴，在群眾的掩護下，在敵人的交通線兩側村莊、大小據點實地偵察。有的還乘上正太路的列車，把沿線情況一覽無餘。
戰役發起前兩天，即1940年8月18日晚，劉伯承、鄧小平召開作戰會議，向參戰部隊指揮員布置作戰任務。
劉伯承首先傳達八路軍總部的指示，接著說明戰役部署：「我們這次戰役的綱領：第一，主要是對正太路陽泉至榆次段的鐵路和建築物，進行連日的，徹底的破毀，特別對於桑掌至曉庄和馬首至蘆家莊兩段鐵路的技術工物，要著重破毀。第二，各破擊隊為了保障鐵路確實被破毀，應兼用專門的便衣隊或有力部隊，突然潛入鐵路線上的必要據點，破毀其要害，燒夷其建築物。對於路側遠伸的據點，只用少數部隊監視，不要強攻，也不要被其抑留。第三，當片山部隊由陽泉、平遼公路向我右側背迂迴時，就將其各個消滅之，保障我破路順利進行，造成收復遼縣、榆社的基本條件。對榆次方面來援之敵則進行牽制。」
然後，劉伯承又對戰役作出具體部署：戰役由陳賡、陳錫聯、謝富治統一指揮，部隊分為左、中、右3個縱隊：
右翼縱隊由范子俠、賴際發率2個團，擔負陽泉、壽陽間的破襲任務，先集中兵力攻下坡頭和張凈車站，得手後，再向西擴大戰果。
中央縱隊由陳賡、陳錫聯、謝富治率4個團，主力隱蔽集結，為師的總預備隊；以一部兵力攻佔敵冶兩據點，牽制平定之敵，另以一部兵力佔領陽泉西南獅堖山，阻擊陽泉可能出援之敵。
左翼縱隊由周希漢率3個團，擔負壽陽至榆次間的破襲任務，先集中兵力攻下蘆家莊、上湖、馬首等車站，得手後，視情況向北、向西擴大戰果。
平和支隊由汪乃貴率1個團結合地方武裝，分途破毀平定至和順公路，牽制平遼公路之敵。
最後，鄧小平強調了這次戰役的有利條件和應注意的事項。他特別告誡大家：參戰的地方武裝很多，要派得力幹部去組織帶領，關心他們的生活和安全，調動他們的積極性。
會議之後，劉伯承、鄧小平率師前方指揮所，進至廣陽以南的明水頭，設前方聯絡所於上龍泉以南的馬鞍橋。