百团大战开始时，八路军发起的突然袭击，确实是狠狠的敲了华北日军一闷棍，让华北日军一片混乱，直到八月底，日军才从混乱中回过神来，开始集中兵力向八路军反攻。为了掩护迫入部队，继续破坏铁路以及周围群众的转移，八路军与来增援的日军部队即将展开激烈的战斗。

9月2日，日军从36师团，37师团，和独立混成第4，第8旅团中抽调的6000多人向破袭正太路的129师猛扑过来。9月6日，386旅和决死第1纵队，在和顺县双峰镇与日军永野大队遭遇，日军以为八路军经过多日的破袭作战已经疲惫不堪，但八路军早已布好天罗地网等着他们钻进来，等日军出村口时，埋伏好的八路军立即以猛烈的火力向日军发起攻击，将日军压到西塞河槽的开阔地。日军企图发起反攻，但八路军占据有利地形，将日军的冲锋一次次打回去，日军留下了大量的尸体。打到傍晚，决死纵队也从另一个方向对日军发起攻击，将日军彻底包围。

战斗激烈之时，附近太谷的数百日军赶来增援，在吃麻凹村遭到决死纵队的阻击后，双方展开对峙。被围困的永野大队听到枪声后便向这里突围，企图和援军夹击这里的决死纵队，但战士们及时撤退了。但不知怎么的，这两股日军竟然一度把对方当成了八路军，连续打了三个小时，挂来上百个鬼子后，才发现是狗咬狗。八路军也趁着这混乱的时刻向日军发起总攻，日军已经相当疲惫，只能狼狈溃逃，到9月7日战斗胜利结束。八路军共歼敌400多人，击伤永野大队长，击毙两个中队长，缴获轻重机枪37挺，子弹无数，这一路日军的增援被彻底粉碎。

与此同时，日军也集结了5000多人向晋察冀军区的八路军猛扑过来，聂荣臻下令向盂县转移，9月3日八路军在黄沙口阻击了日军援军100多人，第2天又击溃了下社之敌200多人，缴获步枪30余支，还有大量的弹药，粮食和各种物资。之后，八路军集中兵力攻击上社据点，趁着倾盆大雨发起了偷袭，日伪军企图逃跑，但第二天清晨在兴道村又遭八路军的埋伏，日军带队的中队长集中几挺机枪反攻，但很快被一个班的八路军战士匍匐前进，用手榴弹炸掉。战士们发起冲锋，与日军展开白刃战，枪声爆炸声喊杀声响成一片，激战两小时，这批日伪军全部被歼灭，缴获步枪300多支，机枪20挺，火炮10门。到9月10号，这路日军援军也被粉碎，八路军还端掉了盂县外围的6个据点，共歼敌600多人。

原本八路军总部要求出动22个团，对正太路进行破袭，其他部队只是作为配合，但等八路军总部对战情进行综合分析时，发现战士们异常的积极，有85个团都主动的投入了战斗。正太铁路有30个团，平汉铁路北段15个团，同蒲铁路12个团，津浦铁路4个团，白晋铁路6个团，北宁铁路2个团，平水铁路2个团，北平到大同的公路6个团，邯郸到济南的公路3个团等等，总共有105个团投入了战斗。大量的公路铁路遭到破坏，大量的据点遭到拔除，甚至参战部队还一度攻进了保定、高碑店、廊坊、唐山等大城市。正太铁路这一打，就如同发令枪一样，整个山西，甚至整个华北，都打成了一锅粥。

之后，这场战斗就被八路军总部称为了百团大战！

同时，百团大战的战报也发给了国民政府，八路军也请求国军也发起进攻配合作战。部分国军也确实有所动作，给予了八路军一定的支持。第二战区卫立煌麾下的27军主动向晋城、高平一带的日军发起攻击，攻克日军据点多处，歼敌数百人，并一度攻入晋城，93军也袭击了临汾附近的铁路，破坏火车一列，歼敌百余人。其他国军的部队也破坏了晋南，晋西地区的不少公路铁路，牵制了日军近南的部队，为八路军的百团大战提供了支持。

9月10日，百团大战第一阶段宣告结束。9月16日，八路军继续打响了百团大战的第二阶段，扩大战果继续破坏铁路，并且夺取对根据地威胁较大的日占县城，将根据地连成片，更惨烈的攻坚战即将拉开帷幕。