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时光很快就到了秋季。八路军经一个多月的连续作战，给了日寇以重大的打击后，自己也该调整一下了。一场大仗打下来，部队的减员伤亡情况较严重，需要好好地休整了。
但是，就在八路军刚要进行部队休整时，日寇却开始了对八路军根据地的大规模的反攻。这样，八路军各部队，未能得到必要的调整，就不得不开始了对日第三次战役——反扫荡作战。
日军因为在百团大战期间吃了大亏，这一下就气势汹汹地杀向了八路军根据地的纵深地区。在第一次破袭战中受到最惨重打击的敌独立混成第四旅团6千人，充当了这次扫荡的先锋主力，由旅团长片山带领，向总部和一二九师活动的中心地区武乡、辽县等地进攻。
这股凶狠的敌人被八路军一二九师各部和一纵队节节阻挠袭击，不能得到便宜。片山发怒起来，便对根据地进行了“毁灭扫荡”，穷凶极恶地向所到之处实行见人就杀、见屋就烧、见粮就抢的政策，企图把根据地变成一片焦土。
10月下旬，第四混成旅团的冈崎大队约600余人，窜到了总部的水腰兵工厂。水腰厂设在太行山脊黎县城的黄崖洞谷中，四面险峰环抱，只有南面的一条天然裂缝，可以容人出入。
1939年，朱德、彭德怀、左权三人亲自察看了地形，把总部的军械所迁到谷内。经过精心规划，艰苦创业，发展成为一个月产四百余枝步枪和大量枪弹的兵工厂。八路军在敌后，武器弹药的补充是最大的困难。蒋介石一向对八路军限制很紧。所以这个兵工厂费了八路军总部首长们的许多心血。
这次反扫荡中，彭德怀把总部特务团的1个营放在这里，以1个连的兵力把守着南面的门户瓮屹廓。只要坚兵死守关口，敌人是进不来的。然而这一天，在黎城指挥所的彭德怀却接到报告说，岗崎大队竟毫不费力地窜进了瓮屹廓。
彭德怀大怒，亲自追查缘由，同军法处处决了未经抵抗便擅自撤守的1个连长，下令监视岗崎大队的行动，趁其弱处给予打击。
到了28日，岗崎大队在根据地军民的袭扰下，已觉前景不妙，夺道武乡，准备退回到沁县。这天进到蟠龙镇关家垴附近宿营。
次日，彭德怀从黎城赶回武乡县蟠龙镇的石门村。一路上，他看到经过日寇烧杀抢掠的根据地村庄，一片焦土残垣，百姓痛苦不堪，仇恨的怒火在他心头熊熊烧着。他下定决心，不论多难也要把这一股狂妄之敌消灭掉！
当时参加正太路破袭战和攻打榆林城的一二九师陈赓旅和一纵队正有一部分部队在关家垴附近集结休整。这真是冤家路窄。彭德怀当晚就拟出了歼敌命令。以一二九师之三八六旅、十旅各一部归刘伯承、邓小平指挥，以一二九师三八六旅一部和一纵队的二十五团、三十八团各一部为左翼归陈赓指挥，山炮连由彭德怀直接指挥，于30日晨4时发起了攻击。
岗崎大队乘夜摸上了关家垴高地。这块高地三面临崖，只有一条窄路通向顶处。敌人凭据着靠垴顶的窑洞顽抗。战斗进行得异常激烈。彭德怀亲自动员总部特务团、警卫连参加战斗。
八路军喊着为牺牲的战友和老百姓报仇的口号，冒着飞机的投弹扫射和由垴顶倾泻而下的火力，奋勇向上冲锋。这一场惨烈的战斗一直进行了两天两夜。依靠着顽强和勇敢的精神，八路军把武器精良、骄横凶残的岗崎大队歼灭过半。
直到11月1日，敌人的大批部队出来增援，彭德怀才下令撤离。敌人狼狈逃走。这一次敌人的扫荡终被粉碎了。
关家垴战斗中，八路军以劣势兵力对敌实行攻坚战和阵地战，与敌激战两昼夜，敌人大部被歼，八路军也伤亡较重。
在战斗过程中，刘伯承建议彭德怀暂时撤离另觅战机。但彭德怀在电话里对他一向十分尊重的战友咆哮：“拿不下关家垴，就撤掉你一二九师的番号！”
关家垴之战结束后，彭德怀、左权、刘伯承、陈赓等都到垴上去仔细巡视过战场，查看敌人的临时工事，暗堡掩体，火力配置，总结经验教训。
百团大战连续作战达3个月，从8月20日一直到12月初。到了12月5日，十八集团军总司令部野战政治部公布百团大战总结战绩。总计进行了大小战斗1824次；毙伤日军20065人，伪军5155人；俘日军281人，伪军18400人；拔除日伪据点2993个；缴获步马枪5400枝，轻重机枪200余挺，及其他大量武器弹药；破坏铁路948公里，公路3000公里，桥梁、车站、隧道等200处；破坏煤矿5处。
八路军在此战中付出了重大代价，伤亡22000人。
百团大战结束后，中共中央领导人毛泽东、朱德、王稼祥给彭德怀去电：“百团大战对外不要宣告结束，蒋介石发动反共高潮，我们尚须利用百团大战的声势去反对他。”
事实上毛泽东实际上再一次肯定了百团大战不仅在军事上取得了重大胜利，在政治上也取得了重大胜利。