说罢，便向各部队下达作战任务：晋察冀军区发起涞源灵丘战役，力争夺取涞源和灵丘两城，破坏涞灵公路，派少量部队破坏同蒲铁路；一二零师破击同蒲路，将宁武至轩岗段彻底摧毁；一二九师发起榆辽战役，力争夺取榆庄、辽县城，并派一部兵力破坏白晋路；冀中吕正操部、冀南陈再道部重点破坏沧石、德石、道济路，攻克沿路据点。
四天后，八路军总部正式下达了百团大战第二阶段作战命令。
接到命令，八路军各部迅速行动起来。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9月22日发起涞（源）灵（丘）战役，对该地区的日军独立混成第二旅和第二十六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。23日，转为攻击涞源外围日军据点。至26日，相继攻占叁甲村、东团堡等10余处据点。28日，由张家口增援的日军3000余人进抵涞源城，右翼队遂转移兵力于灵丘、浑源方向，协同左翼队先后攻占了南坡头、抢风岭、青磁窑等日军据点。10月9日，又有大同日军1000余人来援。晋察冀军区遂决定结束涞灵战役。此役共歼灭日伪军1000余人。
第一二九师以第三八六旅和决死队第一纵队两个团组成左翼队，以第三八五旅（附第三十二团）组成右翼队，于9月23日发起榆（社）辽（县）战役，向守备榆辽公路的日军独立混成第四旅展开攻击。至30日，左翼队经过艰苦奋战，攻占榆社县城，歼日军400余人。右翼队攻占榆辽公路上的小岭底、石匣等日军据点后，准备协同新编第十旅进攻辽县时，和顺、武乡的日军同时出援，第一二九师遂决定停止攻城，转移兵力于红崖头、关帝垴地区伏击由武乡出援的日军。第三八五旅在向伏击地域开进途中，与日军援兵600余人遭遇，经15小时激战，日军虽被消灭过半，但余部依托有利地形进行顽抗，双方形成对峙。同时，由和顺出援的日军突破新编第十旅狼牙山阻击部队阵地。在这种情况下，第一二九师遂撤出战斗，榆社复为日军占领。榆辽战役共歼日军近1000人。10月14日，第一二九师一部在和（顺）辽（县）公路上的弓家沟设伏，歼灭日军一支运输队，击毁汽车40余辆。
第一二零师为配合涞灵、榆辽地区的作战，对同蒲铁路北段进行了新的破击，再度切断了该线交通。第一二九师所属冀南军区以12个团的兵力，对日军正在修筑的德石铁路和邯（郸）济（南）铁路以及一些重要公路线，均进行了破击，共歼日伪军1700余人。晋察冀军区所属冀中军区部队于10月1-12日，举行任（丘）河（间）大（城）肃（宁）战役，攻克据点20余处，歼日伪军1500余人，破坏公路150公里。