再度襲擊娘子關和井陉煤礦，有力地鉗制了日軍。
在此期間，第120師對同蒲路忻縣至太原段的破擊，也使日軍難以繼續向該線抽調兵力增援正大路。
由于晉察冀軍區主力在孟縣地區積極行動，迫使向正大路南側反擊的日軍獨立混成第4旅團主力從9月5日起陸續回撤壽陽，陽泉、盂縣地區，并向晉察冀軍區部隊反擊，在此情況下，八路軍總部決定于9月10日結束第一階段作戰。
在第一階段的作戰中，八路軍由于戰役部署周密，準備工作充分，部隊行動迅速、秘密，充分發揮了戰役的突然性，取得了重大勝利。
八路軍共殲滅日僞軍7000餘人，攻克日軍據點91處，破壞鐵路300餘公裡、公路700餘公裡，正大路被毀三分之二，基本實現了預期的作戰目的。
戰役第二階段（9月22日至10月上旬），中心任務是擴大第一階段戰果，繼續破擊交通線，重點攻占交通線兩側和深入抗日根據地内的日軍據點。
8月31日，八路軍總部在緻各集團并上報中共中央軍委的電報中指出，敵之嚴重弱點是乒力不足，因此我們可以徹底摧毀正太路和同蒲路忻縣至朔縣段，使晉西北、晉東南和晉察冀三個基本根據地連成一片。
9月16日，八路軍總部下達了百團大戰第二階段作戰命令，規定第二階段作戰目的是擴大戰果；作戰的基本方針是繼續破壞敵人交通，摧毀深入根據地的某些據點，作戰部署是：第120師集結主力破擊同蒲路甯武至軒崗段；晉察冀軍區集結主力破襲涞（源）靈（丘）公路，并奪取涞、靈2城，并以有力一部于同蒲路東側，積極配合第129師作戰；第129師以收複榆社、遼縣為目的，進行榆遼戰役，并以有力一部破擊白晉路北段，此外，對破擊滄石、德石、邯濟、平漢、平綏、北甯、津浦路，阻敵修複正太路，也作了部署。
涞靈戰役。
晉察冀軍區根據八路軍總部的命令，迅速将主力由正太路沿線北調，執行涞靈作戰任務。
涞源、靈丘地區，駐有日軍獨立混成第2旅團（司令部駐張家口）和第26師團（司令部駐大同）各一部，共1500餘人，另有僞軍1000餘人。
晉察冀軍區決心首先奪取涞源縣城，同時拔除涞源縣城附近各據點。
主要部署是：以第1、第2、第3、第20、第25團及遊擊第1、第3支隊，第1軍分區特務營，軍區騎兵第1團的1個營，共約1.5萬人，組成右翼隊，在戰役初期，奪取涞源及其附近據點，打敵增援，爾後，視情況轉移攻勢于靈丘外圍，協助左翼隊相機奪取靈丘；以第6、第26團和察綏遊擊支隊，共約5000人，組成左翼隊，在戰役初期，阻敵增援，以有利于右翼隊作戰，爾後，在右翼隊協助下，奪取靈丘及其附近據點。
以外，以冀熱察挺進軍平西軍分區第9團襲擊桃花堡及其附近據點，随時準備打擊向蔚縣、涞源增援之敵；以第2軍分區第4團活動于五台地區，鉗制向靈丘增援之敵，軍區教導團和遊擊軍主力及遊擊第2支隊，向唐縣、曲陽、定縣各日軍據點襲擾。
命令冀中軍區除以主力一部配合冀南軍區破擊滄石、德石路，另以一部破擊北甯、津浦路外，組織任（丘）河（間）大（城）肅（甯）戰役，鉗制駐冀中日軍，使其不得西援。
9月22日22時，涞靈戰役開始，右翼隊向涞源縣城及其外圍據點發起猛烈攻擊，由于日軍工事堅固，防守嚴密，加之攻擊力量分散和缺乏攻堅手段，經一晝夜激戰，僅奪取東、西、南3個城關和2個外圍據點。
23日，右翼隊決定先集中力量拔除外圍據點，再行攻城。
當夜攻占涞源城東10公裡處的日軍重要據點三甲村。
到25日，攻占涞源東北的日軍另一重要據點東團堡，日軍獨立混成第2旅團的1個教導隊130親人全部被殲。
至26日，右翼隊共攻克涞源外圍據點10餘處。
28日，張家口日軍3000餘人乘汽車，在飛機、坦克掩護下，急速向涞源地區增援，并于當日進抵淬源縣城。
至10月1日，右翼隊攻克的大部分據點又被日軍占領。
在此情況下，晉察冀軍區乃決定轉移攻勢于靈丘地區。
10月2日，命令右翼隊主力集結涞源以東及東南地區，一部監視牽制涞源之敵。
另以第1、第2團歸左翼隊指揮，加入左翼隊作戰。
10月7日至9日上午，左翼隊先後攻克南坡頭、搶風嶺、青磁窯等日軍據點。
9日下午，大同日軍1000餘人增至渾源，井繼續向靈丘地區進犯。
同時，涞源、易縣、保定、望都、定縣、完縣、唐縣、曲陽，五台等地，日軍正集結兵力，準備糧彈。
依據上述情況，晉察冀軍區判斷日軍可能乘軍區主力遠在靈丘、渾源、廣靈地區作戰，大舉“掃蕩”根據地。
遂于10日命令左翼隊放棄第二步計劃，立即結束涞靈戰役，準備反“掃蕩”作戰。
涞靈戰役持續18天，共斃傷日僞軍1024人，俘日軍49人、僞軍237人，八路軍傷亡1419人。
為策應涞靈戰役，冀中軍區以第18、第23、第30團等共約8500人，于10月1日至20日進行了任（丘）河（間）大（城）肅（甯）戰役，斃傷日軍805人，僞軍322人，俘日軍3人、僞軍326人，攻克據點29個。
冀中軍區部隊傷亡573人。
榆遼戰役。
由昔陽經平定、和順、遼縣到榆社的公路，是日軍突入太行抗日根據地最深的一條公路。
日軍企圖将該路向西南延伸，經武鄉與白晉路相連，以達到分割大行區，靈活調動正太、白晉兩線兵力的目的。
其中，榆遼段長45公裡，沿線有榆社、沿壁、王景、管頭，鋪上、小嶺底、石匣、遼縣等8個據點，由日軍獨立混成第4旅團第13大隊守備，另有2個大隊駐和順、昔陽與榆次之間地區，與榆遼地區日軍相互呼應。
9月22日，八路軍第129師下達榆遼戰役基本命令，決定以突然襲擊手段消滅榆社至小嶺底之敵，并乘勢向遼縣發展，相機收複遼縣。
戰役部署是：以第386旅之第772、第16團和決死第1縱隊之第25、第38團為左翼隊，攻取榆遼公路西段榆社、沿壁、王景等據點，并準備與沁（縣）北支隊協同，夾擊可能由武鄉、故城北援之敵；以第385旅（附新編第11旅第32團）為右翼隊