為使中國成為日軍“南進”的大后方，于1940年5月，日本陸軍省制定以全力迅速迫使國民黨蔣介石政權屈服的策略，在政治上加緊對中國政府的誘降，在軍事上加大對蔣介石政府的打擊。

1940年6月12日，日軍攻占宜昌后，以此為保障基地，在兩個月內對重慶等城市進行了4000架次的持續轟炸，投彈量為2500多噸，造成要進攻重慶的戰前氛圍。同時，并散布“八月進攻西安”的消息。

在加快軍事行動的同時，日本也加緊了對蔣介石政府的誘降。蔣介石軍事集團一方面制造“八路軍游而不擊”等各種謠言，挑撥國統區人民與共產黨的關系。另一方面又通過宋美齡、戴笠等與日秘密談判。正當日蔣之間的秘密談判時，汪精衛偽政府在日軍的操縱之下，在南京成立。

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在這種情況下，日軍旨在困死八路軍的“囚籠政策”全面展開。以“鐵路為柱，公路為鏈，碉堡為鎖”，設有3000余個據點、10000個以上的碉堡和5000余公里鐵路、30000公里公路，形成了覆蓋整個抗日根據地的防御網。在發動百團大戰之前，八路軍抗日根據地僅剩下太行山的平順和晉西北的偏關兩個縣城。隨著根據地的不斷縮小，八路軍的補給日趨困難，大大影響了部隊的戰斗力。

為了改變當前嚴峻而復雜的局勢，中央軍委和毛澤東決定指示八路軍總部抓住有利時機，對日軍發動一次大戰，不僅非常必要，而且也是勢在必行。

當時，日本華北方面軍擁有9個師團、12個獨立混成旅團、1個騎兵集團，是中國關內戰場上最大的重兵集團。但大部分兵力都在牽制在各個防御要點上，動彈不得。因此，華北日軍可用于防御八路軍主力進攻的兵力僅有2個師團又9個獨立混成旅團。加之第9和第4獨立混成旅團抽調6個步兵大隊和1個山炮大隊參加襄宜戰役，日軍對八路軍的防線可謂漏洞百出。即使在正太鐵路這一重要交通線上，也只能將第4、第8和第9三個殘缺不全的獨立混成旅團擺成首尾不能相顧的一字長蛇陣。

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由于正太線處于中心位置，它連接平漢、同蒲兩鐵路，是貫通山西、河北的交通命脈。在這條全長200多公里的鐵路線上，有天險娘子關和日軍在華北的重要燃料基地陽泉、井陘煤礦。如果正太線中斷，山西境內日軍的給養補充和外運掠奪的戰略物資將發生極大困難，正太線也就成為了我必攻、敵必守的重要交通線。

經過認真研判分析后，于1940年7月22日，八路軍總司令朱德、副總司令彭德懷簽發《戰役預備命令》,并報中央軍委和毛澤東。要求各師和軍區，要組織以不少于2 2個團的兵力,大舉破擊正太鐵路(石家莊-太原)；同時，對同蒲(大同-風陵渡)、平漢(北京-漢口)、津浦(天津-浦口)、北寧(北京-沈陽)、德石(德州-石家莊)等鐵路以及華北一些主要公路線，適當展開廣泛的破擊，以配合正太鐵路的破擊戰。各部必須在8月10日前完成偵察、器材準備、部隊調動等準備工作。8月8日，八路軍總部又下達了《戰役行動命令》，進一步明確了戰役部署及作戰地域，并規定第一階段戰役發起時間為8月20日。

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8月20日夜，聶榮臻的晉察冀軍區以18個步兵團、1個騎兵團又2個騎兵營、5個游擊支隊，在部分炮兵和工兵配合下，組成左、中、右3個縱隊，分別向日軍獨立混成第8旅大部和獨立混成第4旅一部展開攻擊。經過三小時激烈戰斗，右路縱隊攻入正太線重要戰略據點娘子關。23日，因石家莊方向的日軍西援，晉察冀軍區部隊遂轉移兵力，實施對鐵路、橋梁、隧道的全面破擊。

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負責破襲正太路西段的第129師，把主要打擊力量預伏在獅垴山一線。當第385旅突然襲擊陽泉市區，日軍第4獨立混成旅團長片山省太郎中將大為驚恐。因為第4混成用于保衛陽泉的兵力加上偽軍和非戰斗人員也只有700多人，與八路軍的進攻兵力對比較大。片山雖然作生死一搏，經四天激戰沒有成功，陽泉被攻陷。到8月25日，正太路西段除壽陽等少數據點外，均為第129師所控制。劉伯承、鄧小平利用這一機會，下令部隊抓緊破路，動員組織民眾，爭取鐵路員工，采取搬拆、爆破、火燒、水淹等方法，大力破壞鐵路、車站及其附屬設施，被日軍視為“鋼鐵封鎖線”就這樣癱瘓了。

為配合正太鐵路和同蒲鐵路北段的破擊戰，第129師和晉察冀軍區還令所屬部隊出動50多個團的兵力，在游擊隊和民兵的配合下，對平漢、平綏(今北京-包頭)、北寧、同蒲(南段)、白晉(白圭-晉城)、津浦、德石等鐵路線和一些主要公路，以及日軍占領的許多據點，進行了廣泛的破擊和襲擊，擴展到除山東以外的整個華北地區和主要交通線。

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截止至9月10日，八路軍在5000里敵后抗日戰場上，先后投入了105個團，20余萬人一起奮戰，使日軍重要補給線正太路全部陷入癱瘓，陷入一片慌亂之中。

為進一步擴大戰果，9月16日，八路軍總部發出第二階段作戰命令，要求各部隊繼續破壞日軍交通線，摧毀深入抗日根據地內的日偽軍據點。由第120師主力徹底破壞同蒲路北段寧武至軒崗段；晉察冀軍區主力破擊淶(源)靈(丘)公路，并奪取淶源、靈丘兩縣城；第129師重點破擊榆(社)遼(縣)公路，收復榆社、遼縣(今左權)兩縣城。

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日軍控制的淶源、靈丘地區深入晉察冀根據地西北部，是日軍打入根據地的一個釘子。1940年9月中旬，由于日軍主力西移綏西，駐扎該地區的日軍僅為第2獨立混成旅團和第26師團各一部，約1500余人，另有偽軍1000余人。晉察冀軍區主力奉總部命令，以8個團、3個游擊支隊、2個獨立營組成左、右翼隊和預備隊，趁日軍主力西調尚未完全返防之機于22日22時發動了淶靈戰役。

淶靈戰役持續20天，雙方傷亡均重。晉察冀軍區認為不宜再戰，決定結束淶靈戰役，部隊撤回根據地準備反掃蕩。此次戰役共斃傷日偽軍1000余人，俘日軍49人，偽軍237人，八路軍傷亡1419人。

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榆社是日軍自正太路經平遼公路、遼榆大道向白晉路到各據點輸送補給的主要樞紐之一，是重點守護的戰略要地。日軍以榆社以東門外榆社中學為核心據點構筑堡壘群，并將周圍修成10至30多米的陡壁，火力配置十分嚴密。在屢攻不克的情況下，陳賡采取挖坑道到敵人核心陣地下，實施坑道爆炸后，突擊部隊便沖入了敵人陣地，第386旅終于攻占榆社縣城，殲日軍400余人。

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同時，根據劉伯承的安排，第385旅先掃清了榆遼公路上的兩個據點--管頭和石匣。至9月30日，主力轉而攻擊遼縣。由于和順、武鄉日軍分別向遼縣增援，八路軍總部命令停止進攻遼縣，以一部牽制和順南下之敵，主力轉移至紅崖頭、關帝垴地區，準備殲滅武鄉東援之敵。

第385旅在向伏擊地域開進途中，在榆樹節遭遇日軍600多援兵。第386旅趁機從側后展開攻擊，對日軍形成了四面包圍之勢。但日軍在8架飛機的掩護下，占領高地負隅頑抗。激烈的戰斗持續了兩天一夜，雙方傷亡慘重。此時由于和順出援的日軍突破狼牙山阻擊部隊陣地。在這種情況下，第129師遂撤出戰斗，榆社復為日軍占領。至此，歷時9天的榆遼戰役結束，我軍共殲日軍近1000人。

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為配合淶靈、榆遼地區的作戰，第120師對同蒲路北段進行了新的破擊，再度切斷了該線交通。于10月6日，參加出擊的八路軍各主力部隊均撤回各根據地，以準備反掃蕩作戰。

日軍為了報復八路軍對運輸線的破壞行動。10月6日起，日軍以近萬人的兵力，對中共中央北方局、八路軍總部等領導機關所在的太行抗日根據地榆社、遼縣、武鄉、黎城間地區進行連續“掃蕩”；10月13日起，日偽軍以萬余人“掃蕩”平西(今北京以西)抗日根據地；從11月1日起，日軍約7000人“掃蕩”太岳區；11月9日，日軍又以萬余人“掃蕩”北岳抗日根據地；12月中旬，日軍以2萬人的兵力對晉西北抗日根據地進行“掃蕩”。

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面對日軍的“掃蕩”計劃，10月19日，八路軍總部下達反“掃蕩”作戰命令，百團大戰進入艱難的反“掃蕩”作戰階段。

經過八路軍與地方武裝和老百姓的密切配合，于11月13日，日軍先后退回各據點，太行區歷時40天的反掃蕩結束。在這3個半月中，共作戰1824次，斃傷日軍2萬余人、偽軍5000余人,俘日軍280余人、偽軍1.8萬余人，拔除據點2900多個,破壞鐵路470余公里、公路1500余公里，繳獲各種炮50余門、各種槍5800余支(挺)；八路軍也付出了傷亡1.7萬余人的代價。

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百團大戰是八路軍在華北地區發動的一次規模最大、持續時間最長的帶戰略性的抗日進攻戰役。此役被日本軍華北司令部稱為“挖心戰”，并把8月20日作為日軍遭受“挖心戰”的紀念日。