，主力攻取榆遼公路東段管頭、鋪上、小嶺底等據點，一部扼守遼縣以西狼牙山，阻擊遼縣可能西援之敵，并準備協同新編第10旅相機收複遼縣；以新編第10旅為平（定）遼（縣）支隊，破擊平遼公路和順南北段，牽制、阻擊昔陽、和順等地之敵，并配合第385旅相機收複遼縣；以大嶽軍區第17、第57團組成沁北支隊，破擊白晉路沁縣至分水嶺段，鉗制日軍從白晉路抽調兵力增援榆遼地區，其餘各部隊仍繼續執行對同蒲、平漢、德石等鐵路的破擊任務。
9月23日23時，左、右翼隊同時向預定目标發起攻擊，至27日，榆社、沿壁、王景、鋪上、小嶺底、石匣等日軍據點均被攻克。
同時，遼縣以北的寒王日軍據點亦為新編第10旅部隊攻克，遼縣日軍陷入孤立。
第129師當即按預定計劃，調集左、右翼隊主力于遼縣以西之馬廄一帶，準備收複遼縣。
此時，和順、武鄉日軍分别向遼縣、管頭增援。
鑒于這一情況，八路軍總部指示第129師暫停進攻遼縣，以一部牽制和順南下之敵，主力轉移至紅崖頭、關帝垴地區，準備殲滅武鄉東援之敵。
第129師遵令轉移兵力，同時猛攻管頭，于29日24時将其攻克。
30日9時左右，左翼隊趕至紅崖頭以南山地，右翼隊尚未到達預伏地區。
此時，武鄉日軍600餘人正越過預伏地區，其先頭與右翼隊遭遇。
左翼隊當機立斷，迅速從日軍的尾、側翼同時展開攻擊。
日軍依托有利地形頑抗，雙方形成對峙。
10月1日，遼縣西援日軍400餘人突破右翼隊狼牙山阻擊陣地，進至鋪上，和順南援之敵占領寒王，正向遼縣急進。
在此情況下，八路軍總部決定第129師各部撤出戰鬥，結束榆遼戰役。
第120師破擊同蒲路。
9月12日，第120師下達了同蒲路北段行動計劃，決心從9月20日開始破擊同蒲路甯武至忻縣段（重點在甯武、大牛店之間）。
作戰部署是：以第358旅破擊原平至甯武段；以獨立第2旅破擊甯武至朔縣段；特務團位于甯化堡附近，掩護後方聯絡線；暫編第1師阻擊岢岚、五寨增援之敵。
前線各部統由第358旅指揮。
為防止鐵路線再度遭受破擊，此時日軍已在同蒲路兩側重要據點集結兵力，加強對鐵路線的保護。
第120師部隊在破擊戰發起前，攻擊頭馬營、甯化堡、羊圈嶺等地日軍，掃除了向同蒲路開進的障礙。
9月22日22時，各部隊向預定目标展開猛烈破擊。
至26日，同蒲路北段交通再次中斷。
戰役第三階段（10月6日至翌年1月24日），中心任務是進行反擊日軍報複“掃蕩”的作戰。
1個多月以來，日軍在華北的廣大地區連續遭到八路軍的兩次大規模攻勢的打擊，損失慘重。
為防止局勢繼續惡化，盡快穩定占領區，遂調集重兵，從10月6日起，先後對華北各抗日根據地進行瘋狂的報複“掃蕩”，企圖乘八路軍連續作戰來不及休整之機，打擊八路軍主力，摧毀抗日根據地。
10月19日，八路軍總部下達反“掃蕩”作戰命令，要求各抗日根據地黨政軍民密切配合，實行空室清野，部隊集結于适當位置，堅決消滅一兩路進犯之敵，并分散部分主力協同地方遊擊隊和民兵廣泛開展遊擊戰争，粉碎日軍的報複“掃蕩”。
據此，各抗日根據地軍民以連續作戰的精神，展開了反“掃蕩”作戰。
太行地區的反“掃蕩”作戰。
10月6日，冀西武安日軍800餘人，開始“掃蕩”陽邑一帶。
11日，日軍獨立混成第4旅團一部從遼縣、武鄉出發，第36師團一部從潞城、襄垣出發，總共3000餘人，南北策應，“掃蕩”榆、遼，武之間的濁漳河兩岸地區，合圍“清剿”榆遼公路以南，武鄉、蟠龍以北地區後，14日自洪水、蟠龍，西營一線東犯東田、左會地區。
八路軍第129師第385、第386旅，決死第1縱隊等部，在内線節節阻擊進犯之敵，新編第10旅在外線積極作戰。
15日上午，新編第10旅2個團在和遼公路弓家溝伏擊日軍汽車運輸隊，擊毀日軍汽車44輛，殲滅押車日軍100餘人。
此後半個月，日軍不敢在和遼公路上運輸。
17日，“掃蕩”之敵分途撤退。
10月20日，日軍第36師團及獨立混成第4旅團等部近萬人，分由武安、遼縣、武鄉、潞城等地出發，“掃蕩”清漳河東西地區，重點指向中共中央北方局、八路軍總部機關及第129師師直、晉冀豫邊區黨政機關所在地的麻田、左會間地區及涉縣、偏城一帶。
由于此次“掃蕩”距上次“掃蕩”間隙甚短，規模較大，抗日根據地軍民缺乏思想上、組織上的準備，主力部隊未能轉到外線，隻在内線被動抗擊，難以給“掃蕩”日軍以有力打擊，緻使日軍進入合擊地區後，連續數日，實行瘋狂的“清剿”和燒殺。
26日，日軍開始回撤，回撤途中，又實行分區“掃蕩”，使根據地受到嚴重破壞和摧殘。
為擺脫被動局面，八路軍總部要求第129師下決心尋機殲滅一路日軍，震懾敵膽，使其不敢再以大隊為單位獨立行動，從而拉開日軍“掃蕩”間隔，便于根據地軍民機動。
29日，“掃蕩”黃煙洞之日軍第36師團一部500餘人，經左會退到蟠龍以東的關家垴，準備返回武鄉。
當日13時，八路軍總部命令第129師集中主力殲滅該敵。
當日夜，第129師以第385、386旅主力，新編第10旅及決死第1縱隊各一部，将該敵包圍于關家垴，次日4時發起總攻，被圍之敵乘夜暗襲占關家垴西南的鳳垴頂高地，以兩處制高點互為犄角，固守頑抗。
31日拂曉，日軍大部被殲，僅親60餘人死守陣地。
下午，黃煙洞方面日軍1500餘人，在飛機掩護下馳援，第129師迅速撤出戰鬥。
殘敵在援敵接應下，向洪水逃去。
至此，日軍大部己由太行抗日根據地中心區撤走。
至11月13日，日軍對太行區的“掃蕩”告一段落。
太嶽地區的反“掃蕩”作戰。
從11月17日開始，日軍以第37、第41師團和獨立混成第16旅團各一部，共7000餘人，分路台擊沁源及其以北的郭道鎮地區。
這時，赴太行區的太嶽部隊主力未歸，太嶽區兵力薄弱。
為避敵鋒芒，太嶽軍區将領導機關與主力部隊組成沁東、沁西2個