八路軍總部決定發動交通破擊戰，重點破襲正太鐵路和同蒲路北段，給日本華北方面軍以有力打擊。這次戰役經歷了兩個主動進攻階段和一個反“掃蕩”階段。第一階段（８月２０日至９月１０日）。八路軍在正太、同蒲、平漢、津浦等主要交通線發動總攻擊，重點破壞了正太鐵路。經過２０天的戰斗，預定計劃全部完成。正太鐵路線的路軌、橋梁、隧道、水塔、車站等均被破壞；平漢、同蒲（北段）、石德、北寧鐵路以及主要公路也被切斷；華北各交通線陷于癱瘓。第二階段（９月２２日至１０月上旬）。任務是繼續擴大戰果，摧毀交通線兩側和深入各抗日根據地的敵偽據點。在這段時間里，我晉察冀軍區主要進行了淶靈戰役，第１２９師主要進行了榆遼戰役，第１２０師主要破襲了同蒲路。在這些戰斗中，八路軍給敵人以沉重打擊；但是，我軍計劃要拔除的敵據點未能全部拔除。第三階段（１０月６日至翌年１月２４日），主要任務是反擊日偽軍的報復掃蕩。在這段時間里，八路軍先后粉碎了日偽軍對太行、太岳、平西、北岳、晉西北等抗日根據地的大規模掃蕩。百團大戰歷時５個多月。

從８月２０日至１２月５日的３個半月中，八路軍共進行大小戰斗１８２４次，共計斃、傷、俘和投誠日偽軍達４６４８０人。其中包括：斃、傷日軍２０６４５人，偽軍５１５５人；俘虜日軍２８１人，偽軍１８４０７人；日軍自動攜械投誠者４７人，偽軍反正者１８４５人。同時，繳獲各種槍５９４２支（挺），各種炮５３門；破壞鐵路４７４公里，公路１５０２公里，橋梁２１３座，火車站３７個，隧道１１個；破壞煤礦５個，倉庫１１所。此外，還繳獲和破壞了其他大量軍用物資。百團大戰粉碎了日軍的“囚籠政策”，推遲了日軍的南進步伐，增強了全國軍民取得抗戰勝利的信心，提高了中國共產黨和八路軍的聲望。