当时，第11集团军的一些中、上级军官看到部队连续同中国军队作战，十分疲惫，希望放慢进攻速度。但是，日军大本营被德国军队的疯狂战争所吸引，也想加快侵略中国的步伐。
正是在这种思想的指导下，日军第3师团和第39师团分左右两路，于6月4日分别向当阳和荆门前进。6月10日，园部和一郎司令官向全军下达了迅速攻占宜昌的命令，命令“第3师团及第39师团消灭敌人北面集团后，在当阳一带及当阳以西地区整理阵容，准备尔后的机动”；“第13师团击败安福市（宜昌东南约30公里）一带南面集团后，向宜昌突进，并迅速围攻和占领宜昌。”
日军第13师团于6月12日16时占领宜昌以后，又派出大量飞机对重庆等重要战略目标进行轰炸，其中攻击重庆市军事设施的炸弹就有1万多枚，企图以疯狂的轰炸来屠杀中国人民，震慑中国人民的抗日行动。
日本侵略军的轰炸一度使国民党上层集团笼罩着一种失败情绪，蒋介石等人也曾经寄希望于美国的援助。但是，罗斯福总统和丘吉尔首相正忙于应付欧洲战场的严重形势，难以顾及中国战场的情况。
7月上旬，日军在华北的兵力约有27万人，华北伪军约有14万人，武汉方面兵力较少。日军为了增强第11集团军的守备，7月20日，从华北抽调了6个步兵营、1个山炮营到武汉。司令部驻在石家庄的日军独立混成第8旅团主力正在冀中“扫荡”。这样一来，正太铁路沿线的日军兵力暂时减少。
为了粉碎日本侵略军对华北抗日根据地的全面进攻，打击其“囚笼政策”，制止国民党右派的投降活动，进一步发展敌后斗争的新局面，并影响全国的抗战形势，八路军总部决定，实施酝酿成熟的破袭正太路的设想，向华北日军占领的交通线和据点发动大规模破袭战。
7月22日凌晨，一束束电波飞向天空，朱德、彭德怀、左权联名下达的关于大举击破以正太铁路为中心的《战役预备命令》传到各部队，传到延安。
延安收到这份注明“十万火急”的电报以后，立即抄送毛泽东、王稼祥、洛甫、王明、康生、陈云、邓子恢、任弼时、谭启龙和作战局。朱德已于5月26日返抵延安，这份由他和在前方的彭德怀、左权3名八路军主要指挥员联合署名的电报，也同时抄送给朱德。
8月8日，朱德、彭德怀、左权三人联名下达了《战役行动命令》。这项命令规定，总部特务团主力集结于下良西营地区，聂集团、刘邓集团、贺关集团和总部特务团，统由总部直接指挥，“限8月20号开始战斗”。
战役行动命令下达以后，八路军指战员群情激昂，纷纷进行战斗准备，对一些重要作战地域，指挥员和参谋人员亲自化装去侦察。当时担任第129师第358旅旅长的陈锡联将军回忆说：“我们这些旅干部，当时都化装去铁路沿线侦察了地形。”
日军华北方面军参谋长于10月13日向日本陆军次长报告战役情况时加注说：“独立混成第4旅团司令部所在地的阳泉，在盂兰盆会期间发现很多平日未曾见过的健壮男子前来游逛，市场上卖东西的人，有半数改换了新人。事后查明，从8月前后经常出入阳泉车站的一个男子，据说是共军某部的参谋长。”
八路军的勇士们首先在正太路向日本侵略军发起进攻，打击日本侵略者的战斗很快扩展到晋冀察全境、晋绥大部和热河南部地区；正太、平古铁路全线，安阳以北的平汉铁路，德州以北的津浦铁路等地，除山东以外的整个华北地区和主要交通线上，到处可以听到抗日军民破袭日军交通线的枪声和爆炸声。
百团大战的号角吹响了。
这场总破袭战，首先在正太铁路发起。
8月8日，朱德、彭德怀、左权下达的《战役行动命令》进一步明确了战役部署和任务，其中要求：“聂集团主力约10个团破坏平定（平定县不含）东至石家庄段正太线，破坏重点应在娘子关、平定段。对北宁线、德州以北之津浦线、德石路、沧石路、沧保路，特别是对元氏以北至卢沟桥之平汉线，应同时分派足够部队宽正面的破袭之，阻击可能向正太线增援之敌，相机收复某些据点。对西、北两面之敌，以适当兵力监视之。另以有力部队向盂县南北敌据点积极活动，相机克服某些据点。”
“聂集团”是指由司令员兼政治委员聂荣臻指挥的晋察冀军区部队，这是以八路军第115师的独立团、骑兵营、师教导队等3000多官兵为骨干发展壮大起来的，在晋察冀根据地开展敌后斗争的一支抗日力量。“聂集团”的主要任务是破袭正太路东段，主要作战对象是日军独立混成第8旅团大部，独立混成第4旅团一部。这一地域，有日军坚固设防的娘子关天险，有日军的重要燃料基地井隆煤矿。这些要点，日军都进行严密守备。
聂荣臻司令员接到八路军总部的命令后，立即抽调了18个步兵团，1个骑兵团又2个骑兵营、3个炮兵连、1个工兵连、5个游击支队，分别组成左纵队、右纵队、中央纵队、钳制部队和总预备队，破袭正太路阳泉至石家庄段；同时对平汉铁路元氏至卢沟桥段等铁路段也作了相应的破袭部署。
当时，正太路沿线的日本驻军主要有独立混成第4旅团全部，该旅团司令部设在阳泉；独立混成第8旅团一部，该旅团司令部设在石家庄；独立混成第9旅团一部，该旅团司令部设在太原。日军在正太铁路沿线城镇、车站、桥梁、隧道附近筑有坚固的防御工事，在铁路两侧10～15公里地区还设有外围据点。堡垒之间用交通壕相连接，周围又设有铁丝网、障碍物，布置了严密的火网，平定到石家庄两侧，就有40多个据点。破袭战在许多地段将是攻坚战。根据这些情况，聂荣臻决定先攻占敌据点，再实施破路。
战前，聂荣臻要求参战部队抓紧时间进行攻坚和破城的针对性训练，特别要重视侦察敌情，准备爆破器材，选择好进攻道路。各项准备工作基本就绪以后，聂荣臻带着一个精干的指挥组赶到前线。
聂荣臻的指挥所设在井陉附近一个叫洪河漕的小山村里。井陉有总矿、新矿、阳并矿3个矿区，是华北地区一个储量丰富的煤矿，日军把这个煤矿视为命根，投入了相当多的人力物力。聂荣臻决心破坏这个煤矿，有意把指挥所设在井陉附近。
8月20日，夜空漆黑，雨淅淅沥沥地下着，突然，正太铁路两旁腾起了一颗颗红色信号弹。刹那间，随着一阵雷鸣般的爆炸声，各路突击部队像猛虎下山，扑向敌人的据点和车站。
八路军向正太铁路全线发起突然攻击，日军事先竟然毫无所知，各据点守军没有任何准备，一时间，全线陷入被动。战役之初，守备正太路东段的日军独立混成第4旅团司令部“根本弄不清楚各方面的情况，经过二三天以后，才逐渐判明”。
在聂荣臻指挥下，晋察冀军区的部队3路出击，3路高奏凯歌。
其中一路是突袭娘子关的右纵队由晋察冀军区第2军分区司令员郭天民、第4军分区政治委员刘道生指挥，辖有第19、第5团，主要负责击破正太铁路娘子关至乱柳段之间的交通线，重点是娘子关的日军据点。娘子关，原名苇泽关，位于山西平定县城东北45公里处，是古长城的著名关隘。相传唐太宗之妹平阳公主统领娘子军驻此设防，故称娘子关。关城两翼之长城依山势蜿蜒，是正太路上晋、冀两省交界地带的天然屏障。关城北侧桃河，水流湍急，南接山岭，逶迤相连。石太线顺山峡蜿蜒铺设。1937年10月，日军占领娘子关后，又依据险峻的山谷加修了4个大堡垒。关上有日军驻守，关下的村子里驻守着伪军。
8月20日20时，担任主攻任务的第5团指战员悄悄潜入娘子关村，很快解决了村里的伪军。胜利的喜悦鼓舞了八路军指战员的信心，他们沿着陡峭的山坡，冒着密集的火网，向娘子关上的日军堡垒仰攻。守关日军毫无准备，被八路军打得措手不及。经过3小时激战，第5团的2个连攻入娘子关，歼灭了大部分敌人，八路军的红旗插上了被日军占领3年的娘子关。
这是正太铁路中最早攻克的一个重要战略据点。在侵略军铁蹄下生活了近3年的娘子关地区的同胞，看到八路军的红旗高高地飘在关头上，兴奋得流出了泪水。
聂荣臻得知右纵队的指战员攻克娘子关，感到兴奋，但他立即拒绝了部队要求坚守娘子关的请求，命令部队在炸毁堡垒工事和东面的铁路桥后，撤离娘子关。当日军的增援部队赶到时，八路军已经撤得无影无踪。
8月23日，第5团官兵再次攻入娘子关，炸毁了娘子关东面1公里处的一座石桥，破坏了程家陇底、磨河滩之间的铁路。
第5团第1营第1连向磨河滩车站这个日军据点袭击时，却意外地遭到了日军的反击。磨河滩车站原来只有100多名日军，八路军以1个连突然袭击，有胜利的把握，谁知这天日军的800多名退役军人乘火车经过这个车站，听到枪声，也加入了战斗，这样一来，磨河滩车站的日军突然增加到近千人，战斗力发生了变化。
8月21日拂晓，一连撤出车站。破袭磨河滩车站的任务没有完成，指战员们摩拳擦掌。当天晚上，第1连官兵悄悄地渡过棉河，攻入磨河滩车站，日军听到枪声，退入营房继续抵抗。就在两军相持的时候，500多名日军乘铁甲列车前来增援，天空突然下起了大雨，棉河水上涨，人员难以徒涉，一连指战员即抢占了磨河滩车站西面的一个村庄，伺机行动。
8月22日下午，日军组织起400多人，开始对第1连进行反击。第5团首长得知这一情况后，即命令团主力对一连进行火力支援。不一会儿，反击的日军遭到了棉河北岸猛烈炮火的袭击，反击受阻。第1连指战员英勇战斗1日，歼灭50多名日军后，奉命撤出战斗。
第19团官兵在战斗发起后攻入巨城和移穰车站。8月23日晚上，第19团再次攻入移穰车站，炸毁了车站的水塔和铁路设施。
8月24日～27日，右纵队的指战员连续作战，接连炸毁了20孔石桥。日军各据点的联络被切断，遭到八路军的各个击破，正太铁路娘子关至乱柳段，交通完全断绝，日军异常恐慌。
左纵队由晋察冀军区第4军分区司令员熊伯涛指挥，辖有冀中警备第2旅、晋察冀军区特务团、平井获支队等部队，主要负责破袭微水至石家庄之间的铁路和公路。战斗打响后，各部队分头行动。
平井获支队在8月20日夜晚袭击岩峰，爆破铁路。特务团在20日夜掩护群众破坏公路后，又于22日夜攻入上安车站，歼灭了车站的日军。警备旅第2团于23日夜攻入头泉车站，破坏了日军的2个堡垒。
8月25日至27日，左纵队指战员连续出击，对平山、获鹿、微水、岩峰之间的公路进行破击，取得了满意的战果。
中央纵队由第1军分区司令员杨成武指挥，辖有第2、第3、第16团，主要负责破袭正太铁路娘子关至微水段，攻打井陉煤矿。战斗打响后，第16团第2营等部队接连攻克了地都、北峪、南峪等日军据点，歼灭了南峪的大部分日军，破坏了日军占据的两座桥梁。第2团攻占了驴岭铁桥东端的堡垒，还一度占领蔡庄日军据点。
中央纵队进攻井陉煤矿这一仗，打得非常漂亮。
日军占据井陉煤矿以后，一直把煤矿作为一个重要守备据点。为了掠夺中国的煤炭资源，日军在新矿和旧矿周围构筑了近4米高的围墙，围墙上敷设电网，围墙外还加设了铁丝网，挖了壕沟。围墙内，日军在新矿、老矿、北山等不同角落设置了22个堡垒，以便监视全矿区。战前，中央纵队按照聂荣臻司令员的指示，派遣小分队潜入矿区，同煤矿工人接上了关系。在工人们的掩护下，第3团的指战员切断了矿区电源，在暗夜中发起冲击。
黎明时分，八路军指战员歼灭了矿区的敌警备队1部。第二天下午，第3团官兵全歼守敌百余人，解放工人2300多人，占领了主要矿井。在矿工的帮助下，八路军指战员炸毁了14台机器，10个锅炉，5座铁桥，3座风车，2座烟囱，以及电机房、火车站等矿区的一些重要设施。这次破袭，使日军损失达1亿日元，井陉煤矿半年内无法出煤。日军独立混成第8旅团参谋泉可畏翁回忆说：“所谓井径煤即炼铁用的粘结煤，当时是供给满洲鞍山炼铁厂重要的、不可缺少的原料。在井陉3矿中，最重要的是新矿，所受破坏最大，至少半年以上不能出煤。”
8月21日傍晚，日军独立混成第8旅团司令部得知八路军袭击井陉煤矿的消息后，旅团长水原义重少将亲自率领全部14个中队的日军，分2个梯队从石家庄等地星夜兼程，增援井陉煤矿。23日傍晚，当这些日军抵达井陉煤矿时，八路军已经撤离。
8月23日，驻守石家庄的部分日军向西增援。
这时候，华北地区连日下雨，河水泛滥，这给八路军的破袭作战带来了不便。晋察冀军区的部队转移兵力，继续对日军占据的铁路、桥梁、隧道进行全面破击。
在见人就杀、见房就烧的日本侵略者的残酷的“扫荡”之下，聂荣臻领导晋察冀军民坚决反“扫荡”，大家呼喊一个口号：“敌人进村我们出村，敌人出村我们进村；敌人不来时，炸桥梁，毁隧道，烧枕木，割电线；敌人来时，用草人引诱，用手榴弹炸，用石雷轰，用中国人民的聪明才智奋勇反击侵略者。”