1940年9月16日，总部下达了百团大战第二阶段作战命令，指示第二阶段作战目的是扩大战果。
作战基本方针是继续破坏日军交通，摧毁深入根据地的某些据点。
百团大战第二阶段，晋察冀军区主要进行了涞灵战役，第129师主要进行了榆辽战役，第120师主要破击了同蒲路。
八路军的重机枪战斗阵地日军驻蒙军占领的涞源、灵丘地区，深入晋察冀边区西北部。
驻涞源、灵丘及其附近的是日军独立混成第2旅、第26师各一部，共1500余人，另有伪军1000余人。
日军受到第一阶段打击后，各据点纷纷增加兵力（其中涞源城已增到500人左右），增修加固工事，储备粮弹。
晋察冀军区决定调集部队，组织涞灵战役。
1940年9月22日22时，涞灵战役开始，右翼队向涞源县城及其周围据点发起猛烈攻击。经一夜激战，夺占东、西、南关，日军退入城内。
百团大战第二阶段，涞灵战役三甲村战斗后，被俘的日伪军及家属。
1940年9月23日当夜，第2团在第1团1个营及炮兵配合下，猛攻涞源城东10公里处涞（源）易（县）公路上的敌重要据点三甲村，歼敌大部，将其占领。
同时，第3团向涞源城东北东团堡发起猛攻，至24日夜，攻克该村周围全部堡垒，将残敌压迫于村中数间房屋死守。
25日，敌将据点库存武器、物资、粮食全部烧毁，准备突围。攻击部队再度向敌猛攻，残敌突围无望，投火自焚。
1940年9月26日，右翼队其他部队和平西军分区第9团也连克桃花堡、白乐堡、吉家庄、辛庄、北口、下北头、白石口、中庄、王喜洞、刘家嘴、张家峪、北石佛、金家井等13个据点。
战役发起的第2天，日军开始由张家口等地南援，由于破路不彻底，日军推进迅速。
1940年9月28日中午，日伪军3000余人搭乘汽车，在坦克20辆、飞机4架的掩护下，进抵涞源城。
在这种情况下，右翼队已难开展有利的攻势，晋察冀军区乃决心转移攻势于灵丘地区，第一步扫除灵丘、浑源间敌据点，第二步夺取大营东南至神堂堡一线及大营、沙河以北山地内敌据点。
10月2日，晋察冀军区命令右翼队主力集结涞源以东及东南地区整理，一部监视钳制涞源之敌，另以第1、第2团归左翼队指挥，加入左翼队作战。
1940年10月8日夜，第1团第1营乘南坡头日军一部出动袭击第2团之机，向南坡头发起进攻，一举袭入敌阵，歼敌大部，残敌逃窜。
同时，第6团第1营攻克抢风岭，青磁窑日军望风而逃，9日夜，第6团第3营攻击了金峰店。
此外，向灵丘、广灵间出击的第26团8日夜曾一度攻入黄台寺。
1940年10月9日，晋察冀军区发觉第1军分区《抗敌报》第35期9月22日社论无意中将百团大战第二阶段企图泄露。
这时，灵丘方面，浑源、广灵日军1300余人南援，开始反扑。
涞源、易县、保定、望都、定县、完县、唐县、曲阳、五台等地，日军正集结兵力，准备粮弹。
涞灵战役持续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。
为策应涞灵战役，冀中军区在破袭沧石、德石、北宁、津浦铁路的同时，于10月1日至20日进行了任（丘）河（间）大（城）肃（宁）战役。
百团大战发起后，冀中日军一部西援，大部被束缚在重要交通线上，冀中内地守备较弱。
冀中军区决定以第18、第23、第30团等部计10个营，共8500余人，编为左翼队、中央队 、右翼队进入这个地区作战。
计划首先以两翼部队钳制日军，吸引日军于任河大肃中心区以外，尔后以中央队突入中心区，打开局面。
1940年10月1日战役开始。左翼队（第18团）进入潴龙河以东，河间、任丘以西地区，2日至6日，连续攻克连家庄、东固贤、良村。
7日夜，玉皇庙、丰乐堡、刘善寺各据点日军望风逃窜。
右翼队（第30团）4个营进入大城以东、子牙河以东地区活动，至7日，连克李民居、邓庄子、石疙疽、西刘庄、臧庄子、陈村等据点，并大举破路挖沟。
中央队（第23团）2个营北渡滹沱河，10月1日，伏击由商家林出动抢粮的日军100余人，歼敌90余人，缴获全部武器。
9日，在白马堂伏击由留各庄到里坦之敌，全歼日伪20人。
1940年10月15至20日，进行以子牙河东西两岸为重点的第二期作战，在任河大肃中心区，只留小部队坚持。
中央队19日夜攻克半截河据点，破坏其附近的古洋河上的桥梁。
右翼队面临敌情严重，无力采取大的行动。
左翼队16日夜克大曲堤、任丘石门桥，18日又克王盘敌据点。
任河大肃战役，毙伤日军805人、伪军322人、俘日军3人、伪军326人，攻克据点29个，冀中军区部队伤亡573人。此役钳制了日军的兵力，有力地配合了涞灵战役。
1940年9月24日，三八六旅突破榆社城垣。
由阳泉经平定、和顺、辽县到榆社的公路，是日军突入太行根据地最深的一条公路。
日军企图将该路向西南延伸，经武乡与白晋铁路相连，以达到分割大行区，灵活调动正太、白晋两线兵力的目的。
其中榆辽段长45公里，沿线有榆社、沿壁、王景、管头、铺上、小岭底、石匣、辽县等8个据点，由日军独立混成第4旅第13营守备。