1939年5月初，日军驻易县110师团104联队的第3大队700余人携火炮数门沿着涞易公路向西进犯，占领了公路上的据点梁各庄，之后又派出300余人继续向西侵占了大龙华，并在其建立据点，修筑碉堡、架设铁丝网，在城外高地设置岗哨，同时强征民夫修筑公路。与此同时，驻涞源的日军也集中兵力向东蠢蠢欲动，这下很明显了，日军就是想要全长100多千米的涞易公路，这条公路不仅是日军运送兵员以及物资的重要交通线，更是将八路军晋察冀第一分区分成两段，导致南北两边无法相互支援，甚至日军能沿着这条公路长驱直入，偷袭军分区总部所在的阜平。
日军占领大龙华的消息很快就传到了第一军分区司令员杨成武那里，他立即召集军分区全员开会，大家很快就意识到了日军的目的是打通涞易公路，这条路打通后对八路军有极大的威胁，因此大家都一致认为应该将这里的日军歼灭，但大荣华据点的重要性日军也清楚，因此八路军一旦进攻，周围的日军必定会来支援，最大的威胁便是驻守易县的日军中队，以及梁各庄的日军第3大队主力。经过会议上的讨论后，杨成武决定采用围点打援的方式，先歼灭大龙华的日军，同时打击日军援军。
杨成武上将
大龙华地区处在山地之间，从梁各庄到大龙华，有一条长十米宽两里的峡谷，是一个天然的理想伏击阵地，如果八路军在两侧山上设伏，来增援的日军必将插翅难逃。具体战略部署为：由晋察冀第1军分区1团1营和2营7连主攻大龙华，3营埋伏在大龙华西边金坡岭上，阻止日军向西逃窜，3团3营和特务营及炮兵部队埋伏在大龙华东边的山岭上，阻止日军向东逃窜，2团负责主机从东边梁各庄和易县来的援军。
完成部署后，八路军立即行动起来，5月19日晚，在当地抗日民众的带领下，担任主攻的部队躲过了日军在大龙华西、北两边高地的几介绍，包围了大龙华，日军主力部队全部住在大龙华西边的几座大房子里，此时他们睡得正香，完全没有察觉到八路军即将发起进攻。
凌晨1点，主攻的八路军从东北和西南对大龙华发起猛攻，1连的一个排迅速砍断了日军的铁丝网，并将集束手榴弹扔进日军的碉堡内，只听轰的一声，日军的碉堡飞上了天，里面一个分队的日军还没反应过来就已经去见了阎王。同时1连的一个班在班长柴士贵的带领下，冲破铁丝网，冲到村内日军住的一座房子前，向房屋内部狂甩手榴弹，成功的将屋内的日军全部炸死。其他方向进攻的八路军很快也包围了其他几座日军居住的房子，继续向房子内部投掷手榴弹，又炸死不少日军，侥幸生还的日军打开门企图逃离，但一开门面对的是八路军战死明晃晃的刺刀，不少日军来不及反抗就被八路军捅倒，剩下的日军又被迫退回屋内苦撑。
大龙华的战斗打响后，附近其他的日军急忙赶来增援，从易县和梁各庄出动了300多名日军，携带5门火炮，乘坐9辆汽车向西增援，但八路军早已埋伏完毕。5月20日拂晓，日军进入了八路军2团的埋伏圈，双方展开激战。而被围困在大龙华的日军得知援军出发了，也在几门火炮和10挺轻重机枪的火力掩护下拼命向东突围，企图与援军会合，最后有130多名日军冲出了大龙华，但他们很快就进了在大龙华东边埋伏的八路军3团3营以及特务营的包围圈中。
刚突围的惊魂未定的日军一进埋伏圈，八路军就立即开火，很快就挡住了日军的前进，这批日军比较狡猾，他们发现附近是清西陵，这里是安葬清朝皇帝的地方，日军遂逃往清西陵，这给八路军造成了困难，因为清西陵是历史古迹，不能让其毁于战火，最终八路军选择与这批日军展开白刃战，最终将其全歼。剩下的没有突围成功，在被围在大龙华内的日军依然在碉堡和房屋内负隅顽抗，20日下午，八路军发起总攻，军分区炮兵连也加入战斗，向日军发射了50多发炮弹，日军的碉堡燃起大火，八路军在炮火的掩护下发起冲锋，经过惨烈的白刃战，困守在大龙华内的日军也被歼灭。
而与日军援军的战斗依然在继续，日军援军也在八路军的英勇战斗下渐渐不支，发动了几次进攻均被打退，用火炮轰炸也无济于事，这时日军援军收到了大龙华已被八路军拿下的消息，再打下去也没有意义了，因此来增援的日军开始撤回，八路军战士乘胜追击，同时1团3营绕到日军侧后方猛攻，配合正面进攻的部队将日军打得溃不成军，剩下的日军最终连滚带爬狼狈逃回梁各庄和易县，大龙华战斗以八路军的胜利而告终。
这场战斗，八路军歼敌400余人，俘虏10人，其中还有个大鱼，是日军一线警备队指挥官泬田少佐，缴获步枪100多支，轻重机枪6挺，火炮6门，子弹5万发。除了这些枪支弹药，还有更重要的东西，一个战士在打扫战场的时候发现两个铁皮箱子，里面是写满了日文的纸，交到杨成武手上后，杨成武觉得此事非同小可，立即上交到聂荣臻手里，经过研究后发现这是一批极其重要的机密文件，内容包括日本对华的战略，1939年作战目标，以及各个参战师团旅团的任务，甚至还有关于毒气弹的使用。聂荣臻又立即将这批重要文件送到延安，这批文件日后在研究日军作战，以及八路军制定作战计划的过程中，发挥了重大作用。相比于歼敌数量和缴获武器，缴获大量的机密文件确实更加有用。
同时这场战斗也保护了清西陵，八路军选择不向清西陵开枪扔手榴弹，而是选择用此地日军白刃战的决定，保护了这个珍贵的文化遗产，让清西陵免于毁于战火！这是人民的军队才会考虑的事！
