为使中国成为日军“南进”的大后方，于1940年5月，日本陆军省制定以全力迅速迫使国民党蒋介石政权屈服的策略，在政治上加紧对中国政府的诱降，在军事上加大对蒋介石政府的打击。
1940年6月12日，日军攻占宜昌后，以此为保障基地，在两个月内对重庆等城市进行了4000架次的持续轰炸，投弹量为2500多吨，造成要进攻重庆的战前氛围。同时，并散布“八月进攻西安”的消息。
在加快军事行动的同时，日本也加紧了对蒋介石政府的诱降。蒋介石军事集团一方面制造“八路军游而不击”等各种谣言，挑拨国统区人民与共产党的关系。另一方面又通过宋美龄、戴笠等与日秘密谈判。正当日蒋之间的秘密谈判时，汪精卫伪政府在日军的操纵之下，在南京成立。
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在这种情况下，日军旨在困死八路军的“囚笼政策”全面展开。以“铁路为柱，公路为链，碉堡为锁”，设有3000余个据点、10000个以上的碉堡和5000余公里铁路、30000公里公路，形成了覆盖整个抗日根据地的防御网。在发动百团大战之前，八路军抗日根据地仅剩下太行山的平顺和晋西北的偏关两个县城。随着根据地的不断缩小，八路军的补给日趋困难，大大影响了部队的战斗力。
为了改变当前严峻而复杂的局势，中央军委和毛泽东决定指示八路军总部抓住有利时机，对日军发动一次大战，不仅非常必要，而且也是势在必行。
当时，日本华北方面军拥有9个师团、12个独立混成旅团、1个骑兵集团，是中国关内战场上最大的重兵集团。但大部分兵力都在牵制在各个防御要点上，动弹不得。因此，华北日军可用于防御八路军主力进攻的兵力仅有2个师团又9个独立混成旅团。加之第9和第4独立混成旅团抽调6个步兵大队和1个山炮大队参加襄宜战役，日军对八路军的防线可谓漏洞百出。即使在正太铁路这一重要交通线上，也只能将第4、第8和第9三个残缺不全的独立混成旅团摆成首尾不能相顾的一字长蛇阵。
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由于正太线处于中心位置，它连接平汉、同蒲两铁路，是贯通山西、河北的交通命脉。在这条全长200多公里的铁路线上，有天险娘子关和日军在华北的重要燃料基地阳泉、井陉煤矿。如果正太线中断，山西境内日军的给养补充和外运掠夺的战略物资将发生极大困难，正太线也就成为了我必攻、敌必守的重要交通线。
经过认真研判分析后，于1940年7月22日，八路军总司令朱德、副总司令彭德怀签发《战役预备命令》,并报中央军委和毛泽东。要求各师和军区，要组织以不少于2 2个团的兵力,大举破击正太铁路(石家庄-太原)；同时，对同蒲(大同-风陵渡)、平汉(北京-汉口)、津浦(天津-浦口)、北宁(北京-沈阳)、德石(德州-石家庄)等铁路以及华北一些主要公路线，适当展开广泛的破击，以配合正太铁路的破击战。各部必须在8月10日前完成侦察、器材准备、部队调动等准备工作。8月8日，八路军总部又下达了《战役行动命令》，进一步明确了战役部署及作战地域，并规定第一阶段战役发起时间为8月20日。
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8月20日夜，聂荣臻的晋察冀军区以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。经过三小时激烈战斗，右路纵队攻入正太线重要战略据点娘子关。23日，因石家庄方向的日军西援，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。
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负责破袭正太路西段的第129师，把主要打击力量预伏在狮垴山一线。当第385旅突然袭击阳泉市区，日军第4独立混成旅团长片山省太郎中将大为惊恐。因为第4混成用于保卫阳泉的兵力加上伪军和非战斗人员也只有700多人，与八路军的进攻兵力对比较大。片山虽然作生死一搏，经四天激战没有成功，阳泉被攻陷。到8月25日，正太路西段除寿阳等少数据点外，均为第129师所控制。刘伯承、邓小平利用这一机会，下令部队抓紧破路，动员组织民众，争取铁路员工，采取搬拆、爆破、火烧、水淹等方法，大力破坏铁路、车站及其附属设施，被日军视为“钢铁封锁线”就这样瘫痪了。
为配合正太铁路和同蒲铁路北段的破击战，第129师和晋察冀军区还令所属部队出动50多个团的兵力，在游击队和民兵的配合下，对平汉、平绥(今北京-包头)、北宁、同蒲(南段)、白晋(白圭-晋城)、津浦、德石等铁路线和一些主要公路，以及日军占领的许多据点，进行了广泛的破击和袭击，扩展到除山东以外的整个华北地区和主要交通线。
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截止至9月10日，八路军在5000里敌后抗日战场上，先后投入了105个团，20余万人一起奋战，使日军重要补给线正太路全部陷入瘫痪，陷入一片慌乱之中。
为进一步扩大战果，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。由第120师主力彻底破坏同蒲路北段宁武至轩岗段；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。
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日军控制的涞源、灵丘地区深入晋察冀根据地西北部，是日军打入根据地的一个钉子。1940年9月中旬，由于日军主力西移绥西，驻扎该地区的日军仅为第2独立混成旅团和第26师团各一部，约1500余人，另有伪军1000余人。晋察冀军区主力奉总部命令，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，趁日军主力西调尚未完全返防之机于22日22时发动了涞灵战役。
涞灵战役持续20天，双方伤亡均重。晋察冀军区认为不宜再战，决定结束涞灵战役，部队撤回根据地准备反扫荡。此次战役共毙伤日伪军1000余人，俘日军49人，伪军237人，八路军伤亡1419人。
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榆社是日军自正太路经平辽公路、辽榆大道向白晋路到各据点输送补给的主要枢纽之一，是重点守护的战略要地。日军以榆社以东门外榆社中学为核心据点构筑堡垒群，并将周围修成10至30多米的陡壁，火力配置十分严密。在屡攻不克的情况下，陈赓采取挖坑道到敌人核心阵地下，实施坑道爆炸后，突击部队便冲入了敌人阵地，第386旅终于攻占榆社县城，歼日军400余人。
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同时，根据刘伯承的安排，第385旅先扫清了榆辽公路上的两个据点--管头和石匣。至9月30日，主力转而攻击辽县。由于和顺、武乡日军分别向辽县增援，八路军总部命令停止进攻辽县，以一部牵制和顺南下之敌，主力转移至红崖头、关帝垴地区，准备歼灭武乡东援之敌。
第385旅在向伏击地域开进途中，在榆树节遭遇日军600多援兵。第386旅趁机从侧后展开攻击，对日军形成了四面包围之势。但日军在8架飞机的掩护下，占领高地负隅顽抗。激烈的战斗持续了两天一夜，双方伤亡惨重。此时由于和顺出援的日军突破狼牙山阻击部队阵地。在这种情况下，第129师遂撤出战斗，榆社复为日军占领。至此，历时9天的榆辽战役结束，我军共歼日军近1000人。
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为配合涞灵、榆辽地区的作战，第120师对同蒲路北段进行了新的破击，再度切断了该线交通。于10月6日，参加出击的八路军各主力部队均撤回各根据地，以准备反扫荡作战。
日军为了报复八路军对运输线的破坏行动。10月6日起，日军以近万人的兵力，对中共中央北方局、八路军总部等领导机关所在的太行抗日根据地榆社、辽县、武乡、黎城间地区进行连续“扫荡”；10月13日起，日伪军以万余人“扫荡”平西(今北京以西)抗日根据地；从11月1日起，日军约7000人“扫荡”太岳区；11月9日，日军又以万余人“扫荡”北岳抗日根据地；12月中旬，日军以2万人的兵力对晋西北抗日根据地进行“扫荡”。
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面对日军的“扫荡”计划，10月19日，八路军总部下达反“扫荡”作战命令，百团大战进入艰难的反“扫荡”作战阶段。
经过八路军与地方武装和老百姓的密切配合，于11月13日，日军先后退回各据点，太行区历时40天的反扫荡结束。在这3个半月中，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。
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百团大战是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抗日进攻战役。此役被日本军华北司令部称为“挖心战”，并把8月20日作为日军遭受“挖心战”的纪念日。