八路军和游击队配合破袭日军的交通运输线在正太线破袭战取得重大胜利。
第一步战役目标基本实现，该线日军增强力量，频繁向破袭部队反扑，山西南部日军第36、第37、第41师也准备北援正太路的情况下，八路军总部于26日下达了第二步行动方案，为给第二步行动创造有利条件，
八路军总部于27日、29日一再强调继续破路和集中优势兵力歼灭出犯或增援的1个营以下的日军部队。
根据指示，晋察冀军区27日命今右纵队继续破路1、2天。
第129师除以部分兵力监视各据点日军外，主力每日轮班破路。
在第129师连续破袭下，正太路西段除寿阳、阳泉等少数城镇外，基本被破坏，交通断绝。
1940年9月2日，八路军总部命令：从3日起结束正太战役；各集团按8月26日命令的第二步行动方针转移兵力，乘正太路遭破坏后，敌不能转移兵力的有利时机，完成第二步计划的任务。
晋察冀军区按照总部26日命令，组织进行盂北战役。
第129师由于日军主力反击，转入打击出犯日军的作战，对进击和辽公路，收复和、辽两城的任务，留待下阶段完成。
八路军战士破路割电线1940年9月2日起，晋察冀军区部署新的战役行动，以第2、第5、第16、第19团参加主要方向作战，立即向盂县和寿阳以北出动，收复该地区内的敌据点。
由于正太线的破袭战，使盂县以北日军主力南调增援，守备兵力减弱，各据点已感到恐慌，晋察冀军区部队展开锐猛攻势后，不少据点守军开始动摇，9月5日下午，下社日军在上社日军接应下，退到上社，与上社日军一同连夜向盂县方向逃跑。
9月5日晚，第19团赶到上社附近后，即与第2军分区特务营向逃敌展开追击。
此时，第19团进至神泉、普田地区的第1营截断了日军退向盂县的道路。
6日9时，将该敌包围于兴道村。经5小时激战，歼其大部，残敌80余东逃罗里掌山，复陷于第19、第5、第16团包围之中。
9日夜，日军大半被歼，40余人趁浓雾突围，逃进盂县城。第2团第3营于7日占领西烟村，8日夜冲入日军据守的土寨，日军大肆放毒，突击部队全部中毒后退出，双方各伤亡20余人。
9日、10日继续围困。11日，西烟日军在盂县日军200余人接应下，逃回盂县。
八路军破袭正太线铁路9月4日，日军抽调2000余人增援盂县地区，开始反扑。
9月10日，晋察冀军区命令第19、第5团留盂县以东以北地区待命，准备配合第129、第120师行动；其余各团向根据地东部、东北部转移，准备执行新任务。
八路军爆破正太路桑掌大铁桥为了钳制正太线方面八路军的破袭作战，日军纠集独立混成第4旅4个步兵营（配属第36师以1个步兵营为基干的支队）、独立混成第9旅3个步兵营（配属第36、第41师均以1个步兵营为基干的支队各1个）等部，向第129师实施反击。
8月30日，独立混成第9旅自太谷、榆社之间地区，9月1日，独立混成第4旅自平定、和顺、辽县，榆社一带相互策应推进，以松塔、安丰、马坊地区为中心合击第129师。
在日军主力转取反攻的形势下，第129师各路破击队即由破击作战转入打击出犯日军的作战。
左翼队连日在高坪、道坪、红凹、中兰、卷峪沟地区予敌打击。
特别是卷峪沟约15个小时的阻击战，毙伤敌200余人，掩护师指挥机关、后勤部门及右翼队的转移，战斗后左翼队亦安全转移到外线。
八路军炸毁铁路桥1940年9月6日，左翼队、第772团将太谷出犯之日军500多人包围于榆社西北的双峰地区，激战一昼夜，歼敌400余。
第385旅于6日于张建设伏，重创向辽县撤退的日军。
右翼队于9月3日离开正太线向根据地转移，曾在平定以西打击阳泉出扰日军，消灭日军100余人。
随后，部队即行分散，展开游击战。至9月15日，第129师粉碎了日军万余兵力的连续反击。
第120师为配合正太路破袭战，从8月20日20时开始，对同蒲铁路和晋西北主要公路展开大规模的破击，攻取敌铁路公路线上的据点。
康家会是忻静公路上日军最大的据点，驻有日伪军50余人，其东北石神有敌30人，西南利润有敌10余人，静乐有敌100余人。
第358旅以第4团1个营进攻康家会，2个营在康家会以东的炭窑沟、青龙庄间设伏准备歼灭石神增援之敌；以第716团在康家会以西的砚湾设伏，准备歼灭利润、静乐增援之敌。
8月21日零时30分，第4团第2营向康家会发起攻击，拂晓时将守敌全歼。
由静乐乘2辆汽车增援的日军40人被第716团歼灭，由石神增援之敌也大部被歼。
正太路东段大破袭（沙飞摄）(2)为扩张战果，第358旅以第4、第716团各一部强袭丰润，其余部队负责打援，8月25日晨将丰润山上碉堡攻占。
正组织火力准备攻击猬集山下大庙内的日军时，敌增援部队赶到，攻击部队遂撤出战斗。
第120师独1旅于8月23日开始行动，第715团曾先后2次袭击寨子村，同时袭击岚县。
第2团破坏峪口至圪洞公路数里，又在班家庄以西山地伏击日军，并连袭石门鄢、寺圪塔敌据点。
8月31日凌晨，独2旅第714团猛袭宁武、朔县间阳方口，烧毁了车站，切断了同蒲铁路，战斗毙伤敌120余人，俘日军2人、伪军32人。
暂1师一度袭入五寨；决死第2、第4纵队切断了汾离公路，并一度袭入汾阳以西的王家池；第359旅第717团多次击退柳林出扰之敌。
第120师在晋西北先后作战180多次，歼日伪军800余人，攻克康家会、阳方口、平社、龙泉等敌车站和据点，一度切断了同蒲铁路北段以及忻静、太汾、汾离公路敌军交通线，钳制了日军大量兵力，使其难以增援正太路，有力地支援了第129师、晋察冀军区方面的作战。
百团大战第一阶段大体上在9月10日结束。