第二阶段从九月二十日至十月初，作战的中心任务是，扩大第一阶段战果，继续破袭交通线，重点是消灭交通线两侧和深入我根据地之敌伪据点。主要攻击目标是太行区之榆社、辽县地区晋察冀区之徕源、灵邱地区和任邱地区晋西北同蒲铁路朔县至原平段的破袭。
进攻重点是正太路。由于进攻的突然和我军民的英勇作战，战役开始取得了重大胜利。正太路沿线路轨、车站、桥梁、涵洞、水塔等全部破坏，沿线敌伪重要据点如娘子关、阳泉、定县、高碑店等都被攻克。同蒲、平汉、德石、北宁等铁路均被切断，几条主要公路亦被破坏，使敌人华北主要交通陷于瘫痪。我军达到了预期目的。
第一阶段从八月二十日至九月十日，中心任务是交通总破袭，破坏和截断华北敌人的全部交通线，进攻目标是正太路全线，临汾以北之同蒲路，德州以北之津浦路，彰德以北之平汉路，归绥以东之平绥路，北宁、德石、白晋、平古、铁路全线，以及沧石沧县至石家庄、平辽平定至辽县—即左权县、代蔚代县至蔚县等公路。
百团大战从1940年八月二十日开始至十二月五日结束，持续三个半月时间。战役的规模和使用的兵力是逐步发展扩大的。七月二十二日发布预备命令时，规定使用约二十二个主力团，战役开始后，实际参战的主力部队和地方武装共计一百一十五个团，近四十万人，动用民工二十多万人。八路军副总参谋长左权同志根据参战部队的数目称为“百团大战”，此后宣传这一战役皆称百团大战。这一战役经过三个阶段。
在榆、辽地区，我军于九月二十三日发起攻击，经过八天激烈战。
九月六日，我一二九师在榆社西北之双峰地区伏击敌人，将敌三十六师团永野大队包围，基本歼灭。同日，晋察冀军区部队在孟县以北，将由上社南进之敌二百多人包围，歼灭其大部，仅四十余人逃回盂县。我一二师部队在攻克忻县静乐公路的重要据点康家会时，守敌五十余人全被歼灭。