旅司令部驻阳泉全部，独立混成第8、第9旅司令部分别驻石家庄和太原各一部。8月20日夜，晋察冀军区在司令员兼政治委员聂荣臻指挥下，以18个步兵团、1个骑兵团又2个骑兵营、5个游击支队，在部分炮兵和工兵配合下，组成左、中、右3个纵队，分别向正太铁路东段日军独立混成第8旅大部和独立混成第4旅一部展开攻击。经数小时激战，右纵队攻入晋冀交界的要隘娘子关，歼日军一部。尔后，破坏了娘子关以东的桥梁和通信线路。向娘子关至微水段进攻的中央纵队，连克蔡庄、地都、北峪、南峪等日军据点，并破坏桥梁两座。攻击井陉煤矿的中央纵队一部，在矿工支援下，破坏了煤矿的主要设施，迫使其停产达半年之久。1940年8月23日，因石家庄方向的日军西援，加上连日降雨，河水泛滥，严重妨碍作战行动，晋察冀军区部队遂转移兵力，实施对铁路、桥梁、隧道的全面破击。

    第129师在师长刘伯承、政治委员邓小平指挥下，以8个团包括决死队第1纵队2个团、8个独立营的兵力，组成左翼破击队、右翼破击队和中央纵队，亦于1940年8月20日夜对正太铁路西段日军独立混成第4旅大部和独立混成第9旅一部展开攻击另以2个团会同平定、辽县、榆社等地方武装，分别对平辽、榆辽公路进行破击，并牵制各点守敌，保障主力侧后的安全。左翼队一部进攻芦家庄，连克碉堡4座，歼日军80余人右翼队一部攻击桑掌和铁炉沟等据点，歼日军130余人。21日，该师为阻止日军从侧背攻击破路部队，令预备队一部抢占阳泉西南4公里处的狮垴山高地。从23日起，阳泉日军在飞机支援下，并使用化学wǔ qì，不断向狮垴山猛攻。第129师阻击部队英勇奋战，坚守6昼夜，歼日军400余人，保障了破击部队翼侧的安全。经数日作战，第129师控制了正太铁路西段除阳泉、寿阳以外的大部分据点及火车站，严重破坏了该段的路轨、桥梁、隧道，使正太铁路西段陷于瘫痪。

    继续破击日军交通线，重点攻占交通线两侧和深入根据地内的日军据点。为扩大战果，1940年9月16日，八路军总部发出第二阶段作战命令，要求各部队继续破坏日军交通线，摧毁深入抗日根据地内的日伪军据点。部署是：第120师主力对同蒲铁路北段宁武至轩岗段进行彻底破坏，再次切断同蒲铁路北段的交通晋察冀军区主力破击涞源灵丘公路，并夺取涞源、灵丘两县城第129师重点破击榆社辽县公路，收复榆社、辽县今左权两县城。

    晋察冀军区以8个团、3个游击支队、2个独立营组成左、右翼队和预备队，于1940年9月22日发起涞源灵丘战役，对该地区的日军独立混成第2旅和第26师及伪军各一部发动进攻。右翼队重点攻击涞源县城，由于缺乏攻坚器材，日军顽强抵抗，经通宵激战，未能得手。