八路军挺进华北敌后，广泛地开展了游击战，在有利条件下也集中兵力打一些运动战。1940年3月末，汪精卫伪“国民政府”在南京成立，日本又积极向重庆诱降，国民党方面也派出秘密代表到香港同日方会谈，大后方出现一种妥协气氛。为振奋全国民心，显示八路军在抗战中的地位，打击妥协逆流，经彭德怀主持的八路军前方指挥部提议，并得到延安总部同意，决定从1940年8月20日夜间起发起“大破袭战”，起初参加的兵力为22个团，主要是晋察冀军区、一二九师、一二0师的部队，目标以破袭正太铁路为重点。

战役发起后，华北各根据部队广泛参战，兵力达到105个团共20余万人，于是八路军总部对外将其称为“百团大战”。这次进攻战役也是抗日战争期间八路军组织的规模最大的一次进攻战役，后来称为“百团大战”。

自从八路军挺进敌后，日军把铁路、公路交通线当成一道道链子，用于封锁各个根据地，被之为“囚笼政策”的笼子，而八路军又想打破这个笼子。

由于有群众支援内应外合，总攻开始时比较顺利。袭击井陉煤矿和娘子关的一颗颗攻击的红色信号弹腾空而起后，当地工人马上切断日军的电源，各路突击部队如猛虎下山直扑车站和据点，雷鸣般的爆炸声响彻正太路全线。几万组织起来的农民也冲上铁路，根据“不留一座水塔、不留一座桥梁、隧道，不留一根铁轨、枕木，不留一根电线”的要求，在几天内将正太铁路大部分地段从地面上扫除，日军增援部队赶来时，都不禁愕然──百里正太铁路上居然只剩下一段段被掘断的路基！

9月下旬，百团大战中进入第二阶段，即对日军在华北的众多县城和据点发起攻坚战，这一阶段作战打得最为困难。那时八路军没有大中口径火炮，迫击炮很少，攻碉堡要靠人送炸药包或架云梯。如太岳军区司令员陈赓率部强攻城高墙厚的榆社县城多次均未奏效，陈赓便动员大家开动脑筋想办法，终于以枪口封锁敌枪眼、炮口，再挖坑道埋炸药爆破的方式，将城墙炸开缺口，全歼了守城日军200余人。

10月以后，日军为报复八路军的进攻，也出动一些兵力向根据地内进行“扫荡”，八路军又进行了反“扫荡”作战。在这一阶段的战斗中，有一个有名的的关家垴战斗，日军一个大队（营）进至当地构筑了工事，彭德怀亲临距敌500米处指挥6个团进行围攻，力求将其歼灭。不过日军野战工事构筑能力强，加上有空中飞机支援，八路军因部队装备差特别是弹药不足，残敌在最后援兵接应下逃走。

八路军进行的百团大战由数百次战斗组成，共消灭日军2万余人，振奋了国内抗战的士气，显示出英勇顽强的精神，不过实践也证明这一仗的规模和某些作战方式超出了自身的能力。在持久抗战的情况下，装备简陋且缺乏弹药来源的敌后抗日军民还应以分散的游击战为主。