杨成武指挥的晋察冀军区右翼队在涞源地区的攻击和肖克指挥的冀热辽挺进军在蔚县以东地区的攻击使日本驻蒙军指挥机关大为惊恐。驻蒙军司令官冈部直三郎中将接到前线的呼救便惊呼：“八路军对蒙疆地区，进行如此规模并且有组织的攻势，还是第一次。今后必须加强戒备。”他急忙下令，让集结在包头、固阳一线防范傅作义部队的独立混成第二旅团的两个步兵大队和炮兵队回防参战。针对这种情况，晋察冀军区命令右翼队仍以一部在中庄、团堡、北口以南之线坚决阻止打击南援之敌；一部继续扫除涞源周围之残余据点；主力集结于城东北地区，准备相机打击与消灭援敌。杨成武接到命令，当即指挥第二十五团第一营攻击城西之北石佛，第一团第三营攻击城北之金家井，第二团主力攻击涞源、北石佛以西之张家峪。上述三点分别于9月26日、27日攻克，残敌逃进了涞源城。
日军不断增加兵力。26日以后，日本驻蒙军司令部和独立混成第二旅团司令部调遣的救援部队陆续由张家口等地进入涞源地区。日军实力增强，使八路军右翼队觅不到歼敌援军的战机，到10月1日，又被日军收回不少据点，杨成武奉命放弃夺取涞源、歼敌援军的计划，带领右翼队向灵丘、涞源方向转移。晋察冀军区决心按照原定计划，转移攻势于灵丘、涞源、广义地区，由邓华指挥左翼队第六、第二十六团，察绥游击支队，和原属右翼队之第一团，担任主攻；杨成武指挥的右翼队积极配合。
在10月7日时候，驻灵丘的日军独立步兵第十二联队联队长坂本吉太郎大佐得到情报：“（中共军）独立第一师及其他共军大部队从涞源方面西进，正向繁峙县东部北部移动，伺机袭击新开辟的涞源——灵丘公路及各地守备队的情报，遂下令要所属之第二大队长自灵丘、古子河、南坡头等抽兵消灭这股敌人，以粉碎其企图。”8日拂晓，数百名日军进攻平型关以北10公里处之太安岭的右翼队第二团，多亏二团预先占领了附近阵地，先后打退了分路合击之敌的多次进攻。
左翼队邓华司令员亲临第一团指挥所，指挥第一营以迅速动作很快接近南坡头日军堡垒，第六团第一营亦于9日凌晨攻克了枪风岭，歼灭大部敌军。攻击黄台寺的第二十六团一部曾冲入村庄，因敌死守堡垒，战至9日拂晓退出。邓华指挥左翼队继续展开攻击，并于10月9日下午，日军由大同开出的70余辆汽车，载兵1000余，近抵涞源，未及停歇又连夜南下，合同灵丘、涞源、广灵地区独立步兵第十三联队各部，纷纷向八路军反击。8、9两日，还在易县、保定、定县等地大量增兵，强拉民夫、牲口，大量运送弹药、给养，扬言要对晋察冀抗日根据地实行“更大规模的肃正作战”。晋察冀军区司令员聂荣臻审时度势，于10月10日致电各参战部队，决定“放弃全战役之最末期之一步作战计划，立即结束全战役之主力攻势”。当天，晋察冀军区参战部队撤出战斗，涞灵战役结束。持续18天，共毙伤日伪军1000余人，俘日军49人、伪军237人，八路军伤亡1419人。“百团大战”第二阶段晋察冀军区各钳制部队也取得了重要战果。9月下旬，第二、第四军分区的第十九团和 第五团在郭天民、熊伯涛指挥下，毙伤敌150余人，缴获马15匹、步枪10余支。10月初，第四团收复阎家岭据点，缴获步枪43支、机枪2挺，其他军用品一部。第三军分区（欠第二团）在9月下旬，破毁公路23公里、铁路0.5公里，毙伤日军40余名。第一军分区主力参加涞灵战役留下的骑兵独立第一、第二团，毁公路25公里、铁路l公里、桥梁4座，收回电线1000余公斤。
（2）任河大肃战役
百团大战第二阶段时，日军在任丘、河间、大城、肃宁4县据点有44个，很多村庄都建立了伪组织“新民会”和“维持会”，企图将八路军挤出冀中，摧毁抗日根据地。冀中军区领导人按照八路军总部和晋察冀军区统一部署，以一部主力配合晋察冀军区破袭德石、沧石路，一部 破袭北宁路、平浦路；组织任河大肃战役，打击冀中中心区日军。
以分区司令常德善指挥第八军分区的4个营组成右翼队，出击津浦线，担负钳制。以分区政委王远音指挥第八军分区两个营，组成中央队向河间、献县间的公路突击，将任丘、河间地区之日军吸引到任河大的中心区，以第九军分区的4个营组成左翼队，在中央队将敌吸引至任河大中心区域后，进入任河大肃地区，对日军的交通线和据点开展大破袭。冀中军区集中任河大肃战役共有10个营。
9月24日，右翼队首先在津浦线泊镇以南炸毁铁路一段，伏击火车一列，日军据点；接着，右翼队乘任丘、河间、大城等县以东地区日军兵力空虚之际推进，接连攻克文庙等日军据点；另一部挺进到大城以北，拿下子牙镇据点，破坏各据点之间的公路，炸毁子牙河西岸日军碉堡，完成了钳制。
中央队在顺利通过河间、献县公路之后，将雷家桥100余名日伪军全部歼灭，接着向东挺进，先后攻克河间东北之卧佛堂、小店，迫使河间、任丘地区的日军主力转向了任河大中心区。然后左翼队于10月1日趁机展开大破袭，先后攻克了河间之边家坞等日军据点，彻底破坏了河间、肃宁境内的公路交通，并烧毁了49孔大桥。
10月10日，任河大肃战役第一期胜利结束。据冀中军区司令员吕正操回忆：“10月10日以后，各部队进行了5天的休整。从10月15日到20日，继续向任、河、大、肃地区四周扩大战果，各地游击队和民兵纷纷出动，破路、挖沟、炸桥和围困敌人，取得了显著成绩。在整个战役过程，敌人曾不断对我活动于中心地区的第二十三团进行合击，但我内线外线部队密切配合，使敌人顾此失彼，完全陷于被动。摧毁了52个地区内大部敌伪组织，恢复了抗日村政权和抗日群众组织，使敌人在冀中中心地区建立统治的阴谋受到了沉重的打击”。总计先后歼灭日伪军近1500名，毙伤日军805人、伪军322人，俘日军3人，伪军326人，缴获各种枪500多支，破坏公路150多公里，平毁据点29个。攻克据点29个，冀中军区部队伤亡573人。
（3）榆辽战役
9月23日23时，第一二九师按照原定计划发起榆辽战役。左翼队太岳纵队决定陈赓指挥决死第一纵队之第二十五、第三十八团攻取沿壁和王崇；周希汉指挥第三八六旅之第七七二团和第十六团攻取榆社县城。
战役发起后，第二十五团以第一营攻击沿壁。先是强攻屡攻不下，后通过奇袭，经两小时战斗，日军大部被击毙，沿壁据点被完全占领。第三十八团第三营担任主攻王景。进攻王景的是第三十八团第三营。最后经过激战，全部消灭70余名日军，占领堡垒。陈赓亲自部署、指挥了袭取沿壁、王景战斗。结束这里战斗后，陈赓又连夜赶往榆社前线。帮助攻击敌人县城，日军独立混成第四旅团第十三（坂津）大队的藤本中队200人驻防县城。他到达时，榆社攻坚战斗正在紧张地进行。9月22日，周希汉和各团、营、连长共20余人，曾绕城进行侦察，对地形和城防有了比较详尽的了解，在此基础上周希汉对攻城作了部署。但是由于部队在正太路破袭战中连战皆捷，干部产生轻敌，夜间不注意隐蔽，惊动了日军，结果日军先射击，使八路军的奇袭被迫变成强攻。初次攻击没有成功。周希汉召集团、营、连会议总结经验教训。大家认为：“运动时狗叫惊动了敌人是我们处于被动的一个原因，但主要是我们的火力分散，组织得不好，未能压制住敌人火力”。再侦察，根据侦察，重新调整部署。16时30分，第二次强攻榆社，敌人利用工事顽固抵抗和放毒气，为避免过大伤亡，周希汉令各团暂停攻击，巩固已得阵地，防止日军反扑。敌人以榆社中心为中心，层层防守，各团发动指战员研究打法，并准备了长梯和破坏铁丝网的刀具，定于23时30分外路攻击。第三次强攻开始，陈赓赶到了指挥所，给攻城部队带来了攻克沿壁、王景两个据点的经验，鼓舞了大家的士气。在第三次强攻中，指战员斗志更旺。虽因炮弹供应不上，机枪、沙枪、手榴弹却发挥了很大威力。日军抵挡不住进攻，退到榆社中学内施放毒气。陈赓和大部分指战员中毒，只好暂停攻击改取坑道作业，主力隐蔽休息。地下坑道挖成，战士们把装满炸药的棺材沿着坑道放到堡垒的底下。指挥所对最后的决战攻击作了具体部署。25日16时45分，坑道点火爆炸，墙壁被炸倒一面。
第十六团第二营的两个连迅即冲入堡垒内与残敌肉搏，第三营也从东面日军的炮兵阵地冲入；第七七二团各营分别从西南角和西北角攻入马厩及被服库等处。日军纷纷溃逃，最后被消灭或俘获。
经过3夜、两天、4次强攻，守敌一个中队200人全部被歼，榆社县城终于解放。第一二九师专门总结了这次战斗经验，认为“整个的说来，进攻是有严密的组织和动作协同”，特别是“攻坚的最后手段采用了坑道作业是正确的”。
与此同时，陈锡联指挥右翼队第三八五旅，攻击榆辽公路东段的小岭底、铺上和管头等日军据点。24日黄昏，第十三团第三营占领与小岭底相邻的铺上据点和堡垒，全歼守敌板津大队第二中队池田小队的两个分队。管头村的战斗24日、26日继续进攻，因敌施放毒气，仍未得手。
担任“吸引与钳创敌人，配合榆辽主力作战”任务的王新亭指挥的沁北支队，提前于9月18日开始此行动，破路击敌。9月25日晨，日军分四路向沁北支队主力集结地温家山一带猛攻。沁北支队战斗历时7小时，白刃格斗4次，终于将日军击退。毙伤日军涞源警备队队长浅财（毙）以下100余人。
刘伯承、邓小平分析连日来的作战情况，对榆辽公路线及其周围的敌情作了分析，9月26日签署并发出了《一二九师榆辽战役补充指示》，规定“战役进展方针”是：乘胜收复辽县并击灭可能援辽之敌；对困守管头之敌施行封锁并有准备地攻灭之。
左翼队主力28日开始袭击辽县，右翼队除第十三团留小部围困管头之敌外，集中主力夺取石匣、五里堠、文峰塔，第七六九团重点夺取石匣。驻守日军一个小队、80余人，地形易守难攻。遵照师、旅的攻击命令，团长郑国仲决定安排第三营涉河由南向北打，第一营在左翼警戒掩护，第二营为预备队。27日23时，经过三次进攻，尽管日军还放毒气，堡垒被攻下。辽县城战斗还没打，第一二九师传达八路军总部 的紧急命令：暂停攻击辽县部队，限29日晨退回讲堂镇一带待命。原来，管头之敌已经弹尽粮绝，用无线电向上司呼救，被八路军总部和第一二九师师部侦知，为了解救被围管头日军，驻武乡的日军独立混成第四旅团第十二大队出动约600余人，救援管头。一二九师遂决定暂停进攻辽县，以第十三团攻取管头，集中左翼队的第七七二、第二十五、 第三十八团和右翼队的第七六九、第十四团，在红馒头、关帝垴地区设伏，打击援敌。9月29日晚，第十三团第一营再次突袭管头，晚12时，全部全歼守敌，占领管头。同时，左右翼两兵团奉命向红崖头、关帝垴地区伏击日军第十二大队的援兵。从清晨5时战到傍晚，给敌以重大杀伤。由于参战部队配合不好，联络不够，辽县出城救援的400余日军急援到达。无奈，第一二九师报请八路军总部批准，命令各部队撤出战斗，榆辽战役结束。
（4）同蒲路北段交通战在贺龙、关向应和续范亭等指挥下，第一二○师和晋西北新军发动截断同蒲路北段交通的战役。9月14日即开始行动。参战部队为第一二○师主力第三五八旅、独立第一旅。第三五八旅渡河后，18日晚与敌激战，歼其一部，但是据点没打下。第三五八旅主力继续东进。
独立第一旅同时进至羊圈岭以南之谢家坪、曹家庄。正好得知从羊圈岭和忻县出动的400余日军在进攻八路军扑空后在上庄休息。于是第二团、第七一五团发起攻击。击毙日军200余。残敌200余人已窜回 羊圈岭。20日，羊圈岭之日军向南出动，行至黄松沟东北山上时，遭第七一六团猛烈攻击，将日军打散。21日，第三五八旅以第四团附师部工兵连向轩岗、段家岭段铁路线前进，第七一六团再攻头马营，配合破路。独立第一旅22日夜袭忻口及其附近等据点，各歼敌一部，为破路创造了有利条件。23日，各破路部队均进抵同蒲铁路线，袭据点，炸桥梁，毁路基，烧铁轨，炸翻日军的载兵巡路火车。27日，基本上控制了原平绥至朔县段的同蒲路，使日军交通中断。
第一二○师第三五九旅第七一七团和新军决死第二纵队，20日夜进攻高占村、李家垣据点，破坏铁丝网和堡垒；另一部击退出离石日军。同日，新军暂编第一师分段占领了风子头据点。游击第三团23日晚破击岚县、普明、东村及东土峪等据点，支援了晋察冀军区和第一二九师。
9月25日，贺龙答《抗战日报》记者问时说：“百团大战”第二阶段在晋西北的战绩：几日内进行战斗55次，毙敌1700余人，破坏铁路60余里、公路100余里，炸毁桥梁12座，缴获了大批枪炮、子弹和军用物资。
