1940年夏季，世界法西斯势力极为猖獗。德、意法西斯占领了半个欧洲后，向英伦海峡进军。而日本侵略者的气焰也十分嚣张，加紧在华北推行“囚笼政策”，同时通过“桐工作”计划加紧诱降国民党蒋介石集团，与其在香港和澳门先后举行了两次正式谈判。在这种情况下，为打破日本侵略者的封锁和“扫荡”，同时也为了坚决遏制当时的投降和妥协暗流，1940年8月至翌年1月，华北八路军（不含山东）所属部队发动了一次以破袭敌占正太铁路及沿线据点为重点的带战略性进攻的大规模主动出击，即百团大战。
团大战分为三个阶段。第一阶段从8月20日至9月10日，历时20天，中心任务为进行交通总破袭战，重点在于摧毁正太路。战役自正太路打响后，旋即扩及冀中、冀南、冀热察、晋绥、太岳等地，迅速覆盖了外的整个华北地区及主要交通线。
敌我双方的兵力对比大致相当。作战境域内，日军之守备兵力为：三个师团的全部，另两个师团的各两个联队、五个独立混成旅团的全部，另四个独立混成旅团的各两个大队和一个骑兵旅团的两个大队，共20余万人；另有伪军约15万人。八路军参战兵力则为105个团、共20余万人，此外，还有地方武装、民兵和人民群众参战对日战斗。日军与八路军的兵力对比为1∶1。
8月20日夜，战斗按预定时间全线打响。40多年后，时任晋察冀司令员的聂荣臻回忆起当年战役打响时的场景，仍然难掩激动之情。他说道：
真是壮观得很啊！一颗颗攻击的红色信号弹腾空而起，划破了夜空，各路的突击部队简直像猛虎下山，扑向敌人的车站和据点，雷鸣般的爆炸声，一处接着一处，响彻正太路全线。指挥所的几个年轻参谋激动地对我说，他们参军以来，还没见过这样红火的战斗场面。这个时刻，不只我们这里，整个正太铁路沿线和同蒲铁路部分地段，都淹没在八路军和人民群众大破袭的火网之中。
日军被攻于不备，惊慌失措，损失惨重。聂荣臻指挥的晋察冀部队向正太路东段发起破袭战，经过一个晚上的激战，成功攻进了晋冀交界的险要隘口娘子关，“计歼守敌四百余”，并摧毁了娘子关以东的铁路石桥，一度攻入火车站。八路军将士还袭击了日军占据的华北重要燃料基地井陉煤矿，在矿工的帮助下，首先切断电源，然后乘着黑暗向矿区日军发起突袭，成功占领主要矿井东王舍新矿，歼敌30余人，俘4人，缴获长短枪17支、子弹3000余发，同时八路军将士还攻占了井陉以西敌军之据点乏驴岭及南峪、北峪各车站，炸毁了乏驴岭之铁桥。在八路军的打击下，“井陉煤矿等的设备，遭到彻底破坏……井陉新矿至少半年不能出煤”，遭到惨重的损失。
刘伯承、邓小平指挥的八路军第一二九师部队则大举破袭正太路西段，先后攻克了芦家庄、和尚足等据点及多处车站。在狮垴山战役中，八路军将士据险坚守，激战六昼夜，成功击退日军在飞机狂轰滥炸掩护下的多次进攻，消灭日军400余人，予敌以重大杀伤。在抗日军民的沉重打击下，正太铁路西段陷入了瘫痪。
贺龙、关向应指挥的八路军第一二○师在阳曲、忻县、朔县、宁武段同蒲铁路，全线出击，对该段铁路和铁路两侧之主要公路展开了大规模破袭战，聚歼阳方等据点守敌，并一度袭入五寨城，共歼灭日伪军800余人，阻止了敌人向正太路增援，缴获敌人大量军用物资。
战斗打响后，地方抗日武装也纷纷参战，对日军铁路、公路，车站和据点等重要目标一同发起猛攻。根据地军民在“不留一条铁轨，不留一根枕木，不留一座桥梁”的战斗口号下，不顾敌机的疯狂扫射，进行了大规模的破袭战。正太铁路线上的路轨、桥梁、隧道和车站等均被破坏，平汉、同蒲（北段）、石德、北宁铁路以及主要公路也被成功切断，华北各交通线一时陷入了严重瘫痪。
值得一提的是，这次大战在刚开始时，并不叫百团大战，而是被称为正太铁路战役、正太战役、正太路破袭战等。同时，按战前计划，也只是规定参战兵力不少于22个团。但战役打响后，对日军“囚笼政策”深恶痛绝的敌后抗日军民参战热情极高，纷纷投入大量兵力，因此参战人数远超最初计划，迅速达到100多个团。
8月22日午饭后，彭德怀和左权听取了关于战况和实际参战兵力的汇报。作战科长王政柱大声说道：“正太线30个团，平汉线卢沟桥到邯郸段15个团，同蒲线大同至洪洞段12个团，津浦线天津至德州4个团……参战兵力共计105个团。”当听说参战兵力有100多个团时，左权兴奋地说：“好！这是百团大战，作战科再仔细把数字查对一下。”当王政柱正想再查看一下是否还有漏报单位时，彭德怀摆摆手说道：“不管一百多少个团，干脆就把这个战役叫作百团大战好了。”这样，才有了“百团大战”的称谓。
8月23日，朱德、彭德怀、左权、罗瑞卿、陆定一联合签署了嘉奖令，向全体八路军将士表示敬意。嘉奖令写道：
查此次百团大战，是抗战以来在华北战场上空前未有的自主积极地向敌寇进攻的大会战，对于全国抗战形势与华北整个战局均有伟大意义。百团大战亦将成为中外战史上最光辉的名词，望我全体将士发挥最大之决心、毅力，与耐力、顽强性、机动性，以再接再厉之精神，在现有序战胜利之基础上，猛烈扩大战果，完成战役任务，是所至盼。
百团大战的第二阶段，从9月22日至10月5日。中心任务是扩大第一阶段的战果，继续破击日军交通，重点攻占交通线两侧敌人和深入抗日民主根据地内的日军据点。
9月16日，朱德、彭德怀、左权发出了百团大战第二阶段作战命令，指出第一阶段正太作战已于9月10日结束。按照总部部署，八路军各参战部队发动了涞（源）灵（丘）、榆（社）辽（县）等战役。在涞灵战役中，晋察冀军区主力部队向涞源县城等地发动进攻，同日军驻蒙军独立混成第2旅团和第26师团等部展开激战，经过18天奋战，攻占涞源县城外围三甲村、东团堡、南坡头、抢风岭、青磁窑等日军据点，歼敌1100余人。为策应涞灵战役，冀中军区以主力10个营于10月1日发动任（丘）河（间）大（城）肃（宁）战役，经十余日激战，共攻克日军据点29处，破坏公路150余公里。第一二九师在榆辽战役中，以重兵分左翼队和右翼队向山西省榆辽公路东、西段据点和榆社、辽县的日军发动进攻，在一昼夜之间，连续向敌军发动10次攻击，攻克了沿壁、王景等据点和榆社县城，缴获了大批武器，歼敌900余人，实现了战役意图。第一二○师继续破击同蒲铁路北段。在破击战之前，为扫除前进障碍，先于铁路西侧三打头马营，并袭击了奇村、楼板寨、忻口等敌军据点。破击战发起后，八路军将士向奇村、忻口、楼寨寨等地发起攻击，经过6天的英勇作战，使同蒲铁路北段再次中断。
百团大战的第三阶段，从10月6日至12月5日。八路军在第一、二阶段中的巨大胜利，沉重打击了日军的“碉堡主义”和“囚笼政策”，使华北的日伪军陷入巨大的混乱中。为了巩固占领区，日军集中了华北境内的所有机动兵力并从华东、华中抽调大量兵力回援，对各抗日根据地展开了疯狂的报复性“扫荡”。因此，百团大战在这一阶段的中心任务主要是进行反“扫荡”作战。
对日伪军的疯狂报复，八路军总部早已有所预防。榆辽战役中，对受困之敌，日军曾以重兵相援。10月1日，朱德、彭德怀、左权在给各大区的指示中指出，增援辽、榆之日军可能顺势“扫荡”太北地区，除将一二九师以有力部队向正太路积极活动外，晋察冀军区留在正太路以北的各部应乘日军南援之机，积极破击正太路，配合第一二九师反“扫荡”作战，并阻止敌军修路。第一二○师也应在太原西南进行牵制，积极向当前之敌活动，钳制该方之敌。10月19日，八路军总部下达了反“扫荡”作战命令，要求各根据地深入进行战斗动员，各部队与地方党政机关和广大人民群众密切配合，实行“坚壁清野”，广泛进行游击战争，坚决消灭来犯之敌，粉碎敌人“扫荡”。遵照总部命令，八路军各部将士以不怕疲劳、连续作战的精神，展开了反“扫荡”作战。经过艰苦奋战，到12月上旬，根据地军民取得了反击日军报复“扫荡”的胜利。至此，百团大战宣告结束。
百团大战是全民族抗战以来八路军在华北发动的规模最大、持续时间最长的一次带战略性进攻的战役。这场大战，“有如一阵暴烈的霹雳，轰动了整个华北战场，以至于全中国全世界”。对这场战役，美国著名记者史沫特莱曾这样描述：“整个华北地区，从晋北山区到东海岸，从南面的黄河到北面的长城，都成了战场。战斗夜以继日，一连厮杀了5个月。一百团人打击了敌人的整个经济、交通和封锁网，战斗是炽烈而无情的。”
到12月初，共进行大小战斗1824次，毙伤日、伪军2.5万余人(内有日军大队长以上军官18人)，俘日军281人、伪军1.8万余人。此外，还破坏或摧毁了大量铁路、公路、桥梁、隧洞、火车站，缴获一大批武器和军用物资。根据当时的战报统计，八路军共消灭了2993个日伪据点。
面对惨重损失，日本侵略军不禁惊呼：“共军乘其势力的显著增强，突然发动的百团大战，给了华北方面军以极大打击。”他们哀叹道：“八路军的抗战士气甚为旺盛，共产地区的居民，一齐动手支援八路军，连妇女、儿童也用竹篓帮助运送手榴弹。我方有的部队，往往冷不防被手执大刀的敌人包围袭击而陷入苦战。”
在这场大战中，抗日军民展现出高度的爱国热情和顽强的斗争意志。当时，抗日根据地的条件极为艰苦。因为“地瘠贫寒，交通阻塞，一切补给极感困难，有不少部队竟数日而不得一饱，不少部队旬日不曾休息”，但全体将士士气高昂，毫不畏惧，奋勇杀敌。其中，不少优秀的八路军指挥员、政治工作人员、战斗员英勇负伤，很多人流尽了最后一滴血。一次战斗结束后，一些战士身受重伤。看到伤痕累累、浑身鲜血的他们，许多战友都很难受。受伤的战士却反过来安慰说：我的腿吃了两个“黑枣”（枪子），一个在腿上，一个在脚上，这么一包看起来吓人，实际没有关系，取出子弹来就好了。还有一位从脚到腹部都包扎了纱布，鲜血外渗的战士为了不让战友们担心，满面笑容地望着慰问的同志说：同志，谢谢你！我很好，我是一个老兵了，受这点伤没有关系，伤很快就会好的。伤好了还上前线，不把日本鬼子赶出中国去誓不罢休！
这场大战极大地振奋了全国军民争取抗战胜利的信心。毛泽东曾专门致电彭德怀，称百团大战真是令人兴奋，像这样的战斗是否还可组织一两次？9月10日，中共中央发出关于时局趋向的指示：“我党五十万大军积极行动于敌后（尤其是此次华北百团战役）则给了日寇以深重的打击，给了全国人民以无穷的希望。”9月23日，毛泽东在关于时局等问题的报告中又一次指出：“百团大战的估计：是敌我相持阶段中一次更大规模的反‘扫荡’的战役反攻……它有打击了敌人、鼓励了人民、孤立了顽固派的伟大意义。”
百团大战大大遏制了国民党内妥协投降的暗流，以事实驳斥了对八路军“游而不击”等恶意诬蔑，坚定了中国人民争取抗战胜利的信心和决心。在人民军队的辉煌战绩面前，蒋介石也不得不致电嘉奖，称：“贵部窥此良机，断然出击，予敌甚大打击，特电嘉奖。”百团大战向全世界表明了中国共产党及其所领导的人民军队是全民族抗战的中流砥柱，是争取抗战胜利的唯一希望所在。
