八路军总部决定发动交通破击战，重点破袭正太铁路和同蒲路北段，给日本华北方面军以有力打击。这次战役经历了两个主动进攻阶段和一个反“扫荡”阶段。第一阶段（８月２０日至９月１０日）。八路军在正太、同蒲、平汉、津浦等主要交通线发动总攻击，重点破坏了正太铁路。经过２０天的战斗，预定计划全部完成。正太铁路线的路轨、桥梁、隧道、水塔、车站等均被破坏；平汉、同蒲（北段）、石德、北宁铁路以及主要公路也被切断；华北各交通线陷于瘫痪。第二阶段（９月２２日至１０月上旬）。任务是继续扩大战果，摧毁交通线两侧和深入各抗日根据地的敌伪据点。在这段时间里，我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师主要破袭了同蒲路。在这些战斗中，八路军给敌人以沉重打击；但是，我军计划要拔除的敌据点未能全部拔除。第三阶段（１０月６日至翌年１月２４日），主要任务是反击日伪军的报复扫荡。在这段时间里，八路军先后粉碎了日伪军对太行、太岳、平西、北岳、晋西北等抗日根据地的大规模扫荡。百团大战历时５个多月。

从８月２０日至１２月５日的３个半月中，八路军共进行大小战斗１８２４次，共计毙、伤、俘和投诚日伪军达４６４８０人。其中包括：毙、伤日军２０６４５人，伪军５１５５人；俘虏日军２８１人，伪军１８４０７人；日军自动携械投诚者４７人，伪军反正者１８４５人。同时，缴获各种枪５９４２支（挺），各种炮５３门；破坏铁路４７４公里，公路１５０２公里，桥梁２１３座，火车站３７个，隧道１１个；破坏煤矿５个，仓库１１所。此外，还缴获和破坏了其他大量军用物资。百团大战粉碎了日军的“囚笼政策”，推迟了日军的南进步伐，增强了全国军民取得抗战胜利的信心，提高了中国共产党和八路军的声望。