百团大战分为三个作战阶段。

战役第一阶段（１９４０年８月２０日至９月１０日），是交通破击战，重点摧毁正太铁路。晋察冀军区部队在司令员兼政治委员聂荣臻指挥下，向正太铁路东段日军展开攻击，攻克晋冀交界的要隘娘子关，井陉煤矿被破坏，迫使其停产达半年之久。第１２９师在师长刘伯承、政治委员邓小平指挥下，对正太铁路西段日军展开攻击，同时对平辽、榆辽公路进行破击。第１２０师在师长贺龙、政治委员关向应指挥下，对同蒲铁路北段和铁路以西一些主要公路进行破击。同时，晋察冀军区和第１２９师部队在游击队和民兵的配合下，对平汉、平绥、北宁、同蒲南段、白晋、津浦、德石等铁路线和一些主要公路，进行了广泛的破击战。各部对路轨、车站、桥梁、隧道、通信设施实施全面破击，使日军在华北的主要交通线陷入瘫痪。

战役第二阶段（９月２０日至１０月５日），是扩大第一阶段战果，重点攻占交通线两侧和深入根据地内的日军据点。晋察冀军区部队发起涞（源）灵（丘）战役，歼日伪军１０００余人。第１２９师发起榆（社）辽（县）战役，歼日军近１０００人。第１２０师对同蒲铁路北段进行了新的破击，再度切断了该线交通。晋察冀军区所属冀中军区部队发起任（丘）河（间）大（城）肃（宁）战役，歼日伪军１５００余人。第二阶段作战，八路军攻克日伪军据点多处，平毁了部分封锁沟、墙，打击了伪政权组织，进一步扩大了抗日根据地。

战役第三阶段（１０月６日至翌年１月下旬），中心任务是反击日军大规模报复“扫荡”。从１０月初起，日军调集重兵实施“反击作战”，对华北各抗日根据地进行大规模残酷“扫荡”。将重点置于中共中央北方局、八路军总部等领导机关所在的太行抗日根据地。尔后又相继对太岳、平西、北岳、晋西北抗日根据地进行“扫荡”，日军所到之处，实行“三光政策”，烧杀抢掠，无所不用其极，使抗日根据地遭受重大摧残。

历时４个多月的百团大战，八路军在地方武装和广大人民群众的紧密配合下，共作战１８２４次，毙伤日军２万余人、伪军５０００余人，俘日军２８０余人、伪军１．８万余人，拔除据点２９００多个，破坏铁路４７０余公里、公路１５００余公里，缴获各种炮５０余门、各种枪５８００余支（挺）。八路军也付出了伤亡１．７万余人的代价。日军在遭受打击后惊呼“对华北应有再认识”，并从华中正面战场抽调２个师团加强华北方面军，对华北各抗日根据地进行更大规模的报复作战。

百团大战，是抗日战争中八路军在华北地区发动的一次规模最大、持续时间最长的带战略性的进攻战役。在这次战役中，中国共产党领导的华北敌后抗日军民，齐心协力，前仆后继，同日本侵略者浴血奋战，充分表现了中华民族不屈不挠的战斗精神。百团大战对坚持抗战、遏制当时国民党妥协投降暗流、争取时局好转起了积极作用，进一步鼓舞了全国人民夺取抗战胜利的信心，用事实驳斥了国民党顽固派对共产党、八路军“游而不击”的诬蔑，蒋介石也给朱德、彭德怀发来贺电：“贵部窥此良机，断然出击，予敌甚大打击，特电嘉奖。”

百团大战，在中国抗日战争史上写下了光辉的一页。