在袁庄、大范庄戰鬥激烈之時，林南戰役也已全面展開。
在衛南戰役結束前夕，八路軍第129師決心乘勝集中太行軍區、冀南軍區一部，在冀中軍區警備旅和太岳軍區的配合下，發起林南戰役，消滅盤踞在平漢鐵路以西太行山南部地區的偽第24集團軍龐炳勛、孫殿英部主力。
根據偽軍龐炳勛、孫殿英部指揮不統一、部署分散、士氣低落，且與周圍日軍有矛盾等情況，八路軍第129師決定首先分割圍殲林縣地區偽軍主力，然後擴張戰果，消滅合澗、東姚、臨淇等地偽軍，同時，以少數兵力阻擊、側擊可能出援之日軍。
林南戰役的部署是：東集團由太行軍區第13團、冀南軍區第771團全部，太行軍區第1、第10、第34團，冀中軍區警備旅第2團各一部和太行軍區第5軍分區工兵排組成，進攻林縣城附近的姚村、橫水、東姚等地偽軍；西集團由太行軍區第2、第3、第32、第769團和冀中軍區警備旅第20、第32團及太行軍區第3、第4軍分區的工兵排組成，進攻林縣城及其西南的合澗、原康等地偽軍，重點摧毀偽第24集團軍龐炳勛、孫殿英部指揮機關；以第129師師部特務營和太行軍區第5軍分區及地方部隊各一部，組成湯安支隊，在水冶、觀台一線阻擊安陽可能出援之日偽軍；以抗大第6分校學員組成武工隊，在人民群眾配合下，牽制和襲擾日偽軍。同時，太行地區3000餘民兵參戰，太岳軍區部隊出擊白晉鐵路線上日偽軍，策應作戰。
8月16日夜，林南戰役的參戰部隊分別由平順、壺關和涉縣等地出發，急行軍至林縣西、北地區隱蔽集結。17日上午，東、西兵團的先遣分隊開始向敵前哨據點逼近，實施佯攻，下午又突然後撤，藉以麻痹敵人。
黃昏後，正式進攻開始了。八路軍東、西兵團主力分別從集結地出發，對林縣縣城及周圍之敵進行遠距離奔襲。
這天晚上比較涼爽，月光不太亮，東兵團主力部隊深一腳淺一腳地行進在崎嶇不平的山路上。經過半夜的跋涉，部隊避開偽軍的前哨據點，從東、西兩面包圍了林縣東產的南北陵陽、東西夏城和蔣里等偽軍據點，以吸引敵人的注意力，配合西兵團攻打林縣縣城的作戰行動。
西兵團在完成對敵包圍後，於18日零時30分，即集中兵力和兵器，強攻林縣縣城的敵指揮中樞。769團率先對城西北附近的偽軍據點展開攻擊。20團趁機由城西、3團由城東同時發起強攻，一舉攻入城內，但到天明以後，偽軍經過數次反撲，又奪佔了南門和西南角，妄圖以火力封鎖八路軍的前進道路。
18日午時，20團和3團同時對劉月亭的前敵指揮部發起猛攻。這次戰鬥異常艱苦，一直打到18時，才將劉月亭的指揮部和偽保安司令部解決。劉月亭負傷逃跑，其參謀長何光弟被擊斃。與此同時，八路軍警備32團一部全殲了劉月亭的警備營，769團一部也攻克了城西桑園、郝家莊的偽軍據點。
此時，林縣縣城內還有部分日軍，頑固踞守，拒不投降。18時，警備32團擊潰了城外馬圈的偽軍後，於24時，與20團全部、769團1個營一起對城內頭道營被圍的日軍發起進攻。
日軍見勢不妙，乘夜突圍，逃至南關，林縣再次陷入八路軍的包圍之中。至19日，除了這部分日軍外，林縣縣城及附近的偽軍全部被肅清。日軍為了解救這部分被困人員，調動了數架飛機向進攻的八路軍輪番轟炸、掃射，直到有1架被擊落後，才悻悻離去。
八路軍西兵團見日軍火力強硬，便留下部分圍困部隊，主力則揮師南下，擊潰林縣以南合澗、原康的偽軍，飛速進擊臨淇。
21日24時，八路軍32團與警備32團在臨淇外圍全殲偽獨立旅1營。但剛進入臨淇時，即遭到馳援而至的輝縣日軍的攻擊，為避免日、偽夾擊，八路軍撤出了戰鬥。
23日，西兵團開始向輝縣以北之東西平羅的偽軍第8縱隊進擊。當日21時，八路軍2團和警備32團開始攻擊西平羅，20團、32團等部攻擊東平羅。但西平羅一仗打得十分激烈殘酷。八路軍一度攻入村內，大量地殺傷了敵人，後因彈藥消耗太多也未能將敵全殲，自己傷亡也不小，只好撤出戰鬥，轉移至原康地區待機。東平羅的偽軍在八路軍的連日猛攻之下，被迫於26日棄村南逃，該地區遂為八路軍32團佔領。
這個時候，八路軍東兵團也取得了很大的戰績。18日零時30分，東兵團除以警備2團一部監視敵正面前哨據點姚村、何家的偽軍楊振蘭獨立旅外，其他各部先後向各自當面的偽軍據點展開了攻擊。
771團及10團一部直殺向北、南陵陽的偽第5軍第4師牛瑞亭部主力10團。敵人憑藉磚石結構的房屋負隅頑抗，八路軍戰士們奮起衝擊，激戰至13時，將守敵全部殲滅。14時，皮定均指揮1團和34團也攻克了東西夏城。
接著，太行軍區7分區副司令員兼1團團長方升普率團從西、34團團長蔣克誠率團從東，一齊向曲山發起進攻。曲山正是偽第5軍第4師師部所在地，經兩個小時的戰鬥，敵人潰敗，偽師長牛瑞亭南逃。至19日晚，蔣里、姚村、何家的偽軍也全部被消滅。
至此，林縣附近只剩下了被圍在南關的日軍。
偽軍龐炳勛、孫殿英因連遭殲滅性打擊，計畫向東逃竄。為此，八路軍決定乘日軍援兵尚未完全到達之際，以西兵團主力繼續向盤踞輝縣以北的偽軍進擊，以東兵團主力由東姚地區經盤石頭南下，截擊可能由淇河東竄的偽軍。偽軍在八路軍的猛烈打擊下，一路狂奔，於24日逃到了平漢線一帶，八路軍已沒有再追擊的必要。
同在24日，日軍援助林縣南部被困部隊的分隊已經進入林縣地區，其中安陽出援的日軍1000餘人甚至到了林縣，輝縣出援的日軍400餘人也進至臨淇。八路軍西兵團的769團沿途阻擊，另外2個團則飛速靠近。日軍唯恐被包圍聚殲，乘著黑夜搶渡淇河退往林縣縣城方向。當時，正值連日大雨，山洪暴發。在八路軍的追擊下，倉皇渡河的日軍被淹沒、沖走100餘人。
由於渡河困難，八路軍停止追擊，林南戰役至此勝利結束。
林南戰役從1943年8月18日零時30分開始，到26日結束，歷時9天，共殲滅日偽軍7000餘人，攻克敵據點80多處，解放人口40多萬。（徐深吉：《林南大捷》）