百团大战前两个阶段沉重打击了华北日军，日军准备集结重兵展开报复，但由于华北交通线被八路军破坏的很彻底，直到10月6日，日军第1军和驻蒙军才集中3万兵力向八路军根据地猛扑过来，百团大战也进入了第三个阶段反扫荡作战。

太行军区首先遭到日军的报复，日军36师团和41师团各一部，对太行地区榆社、辽县、武乡、浊漳河一带，展开疯狂扫荡，企图围歼129师和八路军总部机关。八路军也针锋相对，10月14日，八路军新编第10旅在弓家沟设伏，歼灭日军一个中队，摧毁汽车40多辆。26日，日军36师团226联队的2大队500多人在武乡一带扫荡，结果误打误撞的来到了八路军水腰子兵工厂附近，这里是八路军重要的军工生产基地。日军逼近兵工厂让八路军总部非常着急，彭德怀立即命令386旅772团和16团迅速将这股日军吃掉。

彭德怀在关家垴前线

其实，这个时候日军并不知道这里有八路军的兵工厂，他们对附近的地形并不熟悉，加上在之前的扫荡中已经消耗过大，所以就没有继续前进选择撤退了。到28日，冈崎大队退到武乡县蟠龙镇关家垴，准备逃回沁县。彭德怀和左权亲自来到前线指挥，并下定决心要彻底歼灭冈崎大队，决不能让他们跑了。彭老总之所以会这么想，是因为此前日军扫荡根据地时多是1个大队为一路的，一个大队集中迅速，这让我军在反扫荡的时候准备时间都很仓促，所以如果能全歼冈崎大队，能够沉重打击日军的士气，且下次日军就不敢在一个大队为一路进行扫荡，这对根据地的发展十分有利。

29日，129师在刘伯承和陈赓的带领下到达蟠龙镇，彭德怀召集各干部开会，并做好具体进攻部署：386旅772团和八路军总部特务团重东北、东南两个方向攻击，769团从西北侧攻击，决死第1纵队从南部牵制日军。新编10旅封锁日军的退路，各部队应于30日凌晨4时各就各位对日军发起攻击。

此时，日军已经占领了关家垴，这里是群山中一个高高的山冈，山上有一块几百米的平地，北面是悬崖峭壁，东西两侧是陡坡，只有南面比较平缓。对面是一个更高的柳树垴，从上面可以用火力控制通往关家脑的小路，两地互为犄角。不得不说这里确实是一个极佳的防御地点，日军占领后迅速构建工事，部署火力。

关家垴地形

凌晨3时，特务团趁夜开始发起攻击，2营悄悄的摸进日军的阵地，很快解决掉了两个哨兵，随后扔出手榴弹炸毁了日军一个机枪阵地，在爆炸声中，早已准备就绪的八路军立即向各自的目标发起攻击。特务团很快攻占了山上的一排窑洞，但是另一个洞口又开火了，八路军顿时伤亡惨重。原来日军已经把整排的窑洞都打通了，每个窑洞都可以相互支援，形成交叉的火力网，外面还有防弹壕，绝对的易守难攻，特务团只能暂时停止攻击。

4时，总攻开始，八路军对关家垴和柳树垴同时发起攻击，决死1纵队的战士冲上柳树垴，经过激烈的战斗，终于在天亮之前占领了柳树垴。但天亮之后，日军的飞机来了，对关家垴镇的狂轰滥炸，给八路军战士造成巨大的伤亡。日军也发起反击，趁着八路军调整部署的间隙时夺回了柳树垴。看着惨烈的战场，陈赓和刘伯承都认为不应该这么打，但彭德怀却坚决要打，并且下令拿不下关家垴就取消129师番号。战士们只好继续进攻，由于地形十分不利，战士们打的十分艰苦，多次进攻都被打了回来，虽然给日军一定的杀伤，但始终无法夺下阵地。

这时，在战场上观察地形的刘伯承发现了斜坡上的土质比较松软，立即下令组织突击队向上挖掘坑道，其他部队火力掩护。虽然想到办法了，但时间已经不多了，战士们刚挖到山顶，并将山顶上的日军逼进窑洞内，展开对峙之时，日军的援军到了，30日晚上，彭德怀和左权下达了撤退了命令，冈崎大队残部也在援军的接应下逃脱了。

关家垴战斗，八路军歼敌149人，自身伤亡600多人（网上广为流传的伤亡2000是整个反扫荡阶段129师的总伤亡）。战后，彭德怀、刘伯承、陈赓等人都上关家垴查看了日军的阵地，发现阵地确实部署的十分巧妙，尤其是猫耳洞，这也算是我军在这次战斗中的一个重大收获，善于学习的我军立即将这种工事在全军进行推广，并且在之后的战争中发挥了重大作用。

现在总有人拿关家垴战斗来质疑八路军的作战能力，但实际上，由于客观实力的差距，在整个抗日战争中，中国军队很少能够在攻坚战中拿下日军大队以上的据点。比如著名的昆仑关战役，在开始时关上也就一个日军不满编的松本大队840人。惨烈松山战役，松山要塞里面也是日军一个加强大队1300多人，远征军为了拿下松山，在有飞机和炮火的支援下，依然花了三个月，最后也是通过挖坑到的方式，将炸药埋在松山要塞下面，让日军坐了一波超大号的土飞机才取得胜利。在战斗中，远征军伤亡7000多人，主攻的第8军消耗子弹近486万发，手榴弹近8万枚，各种炮弹20多万发。而整个百团大战中，129师总共消耗子弹76万发、手榴弹21369枚、炮弹2995发。抗战就是这么的艰苦，受到武士道精神毒害的日本兵没有横店那么好打。

与此同时，其他方向的反扫荡做在依然激烈，385旅在外围打击日军援军，歼敌100多人，新编10旅和11旅也偷袭了辽县的日伪军，歼敌百余人，其他各县的民兵也不停的骚扰着日伪军。11月后，日军又发起新一轮的扫荡，385旅在辽县外围，伏击日军独立混成第4旅团1部，缴获不少物资。386旅多次袭击黎城、潞城的日伪军，歼敌300多人。新编10旅也在辽县西北与独立混成第4旅团交战，歼敌100人。到12月5日，日军撤离太行军区。

晋察冀军区方向，日军第110师团，独立混成第15旅团和101旅团万余人，兵分10路发起扫荡，八路军与敌人周旋一个月，采用内外线结合的战斗方式，多次让日军扑空，日军十分疲惫，在损失800多人后，于12月初开始撤退。同时，日军也调集独立混成第3，第9和第26，37，41师团各一部2万余人对晋西北抗日根据地进行扫荡，到12月底结束，此过程中，八路军作战217次，歼敌2500余人，日军在扫荡过程中实施了惨无人道的三光政策，共伤害百姓5000多人，摧毁房屋近2万间。到1月15日，日军扫荡全部结束，历时五个多月的百团大战也落下帷幕。

整个百团大战，八路军总共投入105个团20万人，总共进行大小战斗1824次，歼灭日军20645人，伪军5155人，俘虏日军281人，伪军2万人，摧毁敌据点2993个，破坏铁路474公里，公路1500公里，桥梁、车站、隧道260座。缴获各种枪5000多支，火炮53门，八路军也付出了17000多的伤亡代价。

百团大战的胜利沉重打击华北日军，重创了华北日军的囚笼政策，用辉煌的胜利提高了八路军的威望，也粉碎了八路军游而不击的谎言，让外界看见了八路军的亮剑精神。同时，1940年也是法西斯如日中天的一年，纳粹德国占领了欧洲大部分土地，法国高举双手，英国凭借着海峡在孤岛上苦苦支撑，还中断了中国重要的接受外援的交通线滇缅公路。苏联也与日本德国暧昧不清，中断了对于中国的援助。美国依然在作壁上观，在这种情况，中国抗战的前景十分悲观，而百团大战则是在最黑暗的时候鼓舞了全国人民的抗战士气，为维护持久抗战起了重要作用。