9月22日,晋察冀军区发起涞灵战役和一系列对铁路公路的破袭战。该地区驻有日军一千五百余人,另有伪军一千余人。为集中兵力各个歼敌,晋察翼军区司令员聂荣臻决定先打涞源县城,同时拔除涞源县城附近的各据点,尔后再向灵丘之敌发起进攻。根据这一决心,晋察冀军区部队组成左右两支攻击队,右翼队主攻涞源县城,左翼队阻止灵丘、广灵、蔚县方向可能增援涞源之敌,并以1个团为总预备队。
22日,右翼队向涞源县城发起了进攻。战士仍在向导的带领下,匍匐前进,砍开涞源县城外围据点的铁丝网,紧接着把日军哨兵也砍倒了。正在碉堡内睡觉的日军被惊醒,可未等他们还击,八路军战士就把成捆的手榴弹扔进碉堡内,把守堡日军炸成肉泥。接着,八路军就向城内冲去。但是,由于日军城内工事坚固,防守严密,攻城部队虽发起多次攻击,恶战了一夜,仍未能攻克,反而伤亡较大,聂荣臻司令员随即命令停止攻城,重点扫除外围日军据点。
当晚,晋察冀军区一分区二团在一团的配合下,向涞源县城外围的日军重要据点三甲村发起强攻。攻击部队把三甲村团团围住,一团三营副营长张英辉带着3个连包围了一座小山,用铡刀劈开铁丝网。朝1个碉堡里扔了几百颗手榴弹,把碉堡炸开一个口子。三甲村的日军垂死挣扎,各种枪支通通从枪眼里伸出来射击。二团和一团也打得更猛了,十几名爆破手在强大火力掩护下接连冲到碉堡附近,将炸药包、爆破筒掷向碉堡顶上、墙下和射击孔内,随着轰轰的巨响,碉堡被炸开了,日军死的死,伤的伤。至24日清晨,三甲村150多名日伪军,全部被歼。
三甲村拿下了,可攻击涞源外围另一重要据点东团堡的一分区三团却仍在血战中。东团堡的日军,全是战斗经验丰富,武士道精神十足的军官和士官。他们凭借坚固工事,将轻重机枪和掷弹筒打得如泼水一般,还不时地施放毒气和实施反冲击。战斗打响时,正巧士官教导大队井出大队长接替原大队长甲田,这两个家伙都被围在里边,所以日军打得更加疯狂。24日上午,被打红了眼的日军甲田大队长赤膊上阵,亲率数十名日本兵向三团九连的阵地扑来。九连一排长见状也带领全排冲了过去,与日军展开了肉搏战,他一人连续刺死4名日本兵,自己也受了重伤,最后拉响了手榴弹冲入敌群,和敌人同归于尽。九连与日军激战三个多小时,打退敌人的6次冲锋,冲进敌群与日军肉搏战的一排全部牺牲。当日20时,三团对敌核心工事发起总攻,日军抵抗不住。连连败退,最后退守东北角碉堡顽抗,并施放毒气,致使三团人员大部分中毒,攻击只好暂时停止。25日下午,三团经过准备,再次从四面对日军固守的碉堡猛攻。日军甲田大队长见大势已去,便把粮食、物资和弹药堆放在一起,命令所有的人跳火自焚。他还挥舞指挥刀,把一个不愿自焚的日本兵的肚肠挑出来,杀一儆百。等到三团冲入碉堡时,日军官兵已全部烧死。东团堡日本士官教导大队被八路军全歼,使华北的日军受到很大的震动。
28日,张家口日军三千余人乘汽车,在飞机、坦克的配合下,急速向涞源地区增援,并于当日进抵涞源县城。10月1日,八路军攻克的大部据点,又被日军占领。在此情况下,八路军晋察冀军区右翼队放弃夺取涞源,向灵丘方向转移。10月7日至9日,左翼队在右翼队一部配合下,先后攻克了南城头、抢凤岭、青磁窑等日军据点。于是晋察冀军区于10月10日结束涞灵战役。
八路军第一二九师在百团大战第二阶段主要实施了榆辽战役。榆社到辽县的公路是日军楔入抗日根据地平辽公路的前锋段,日军早就企图把这条公路再向榆社西南延伸,经武乡与白晋路连接,以达到分割八路军太北区根据地和便于运兵的目的。日军在榆辽公路上共设有7个城镇与村落据点,由日军第四混成旅团池边大队主力守备。这段公路突出伸入抗日根据地内,工事设施坚固,兵力兵器较强,榆社和管头据点都各有1个日军加强中队守备。
八路军第一二九师根据总部的指示,第二阶段的作战中心是拔除辽县至榆社公路沿线日军据点,相机收复和顺、辽县两城,并准备在辽、榆、武地区歼灭可能由平辽或白晋方面增援之敌。
榆辽战役于9月23日发起。正如预料的那样,辽县日军即行西援,预伏在辽县以西狼牙山的第一二九师一部兵力,立即伏击增援之敌。日军遭到突然打击,抵挡不住,仓皇退回。第一二九师左集团和右集团同时发起攻击后,连克沿华、王景、小岭底和铺上等日军据点。此时,进攻榆社的部队激战方酣。日军在攻击部队强烈火力与猛烈攻击下,开始施放毒气,攻击部队采取防毒措施,继续战斗。榆社有城墙,有暗堡,有充足的弹药和丰富的粮秣,而且日军有飞机支援,易守难攻。在日军的猛烈还击面前、攻击部队进行了坑道近迫作业,用炸药炸开碉堡,乘硝烟攻入城内,终于攻占了榆社。
而进攻管头据点的第一二九师右翼集团,由于受地形所限,在攻占敌1个碉堡后,未获进展。于是,除以一部兵力围困管头,其余兵力转攻石匣,然后再相机夺取管头。经连续激战,被围之敌已弹尽粮绝,右翼集团攻占了石匣并乘胜攻克管头。
第一二九师新编十旅进攻辽县的战斗尚未发起,和顺、武乡之日伪军八百余人即前来增援。刘伯承师长、邓小平政委果断命令攻打辽县的部队,除以一部围城外,主力撤回,预伏于榆辽公路的红岩头一带,准备打伏击战。攻坚战斗马上变成了围点打援,把日军调出坚固的筑城地域,在崎岖山地上歼敌。半夜12时,伏击部队到达预伏地点,拂晓就打了个成功的伏击战。后来,由于武乡东援日伪军不断增多,双方形成了对峙局面。同时,辽县西援日军不断增多,双方形成了对峙局面。同时,辽县西援日军也突破了八路军狼牙山阻击地。在此情况下,八路军总部决定第一二九师各部撤出战斗,结束榆辽战役。