1940年夏秋，日本帝国主义在德国法西斯军队横扫西、北欧，取得暂时胜利的刺激下，决心乘美国的战备尚未完成，英国在欧战中遭受严重失败而无力东顾之机，“迅速解决中国事变，同时抓住有利时机解决南方问题”。“集中运用政略战略的综合力量，特别要彻底杜绝第三国的援蒋行为，采取一切手段，务使重庆政权早日屈服”，以便早日结束侵华战争，准备发动太平洋战争。为此，日军在华北地区加紧推行“治安肃正”计划和“以铁路力柱，公路为链，碉堡为锁”的“囚笼”政策；在华中攻占襄樊、宜昌，加强对重庆等地的空袭；在西南迫使英、法封闭了从越南、缅甸通往中国云南的国际公路，切断了经西南的国际援助；并扬言要“南取昆明，中攻重庆，北犯西安”，以军事压力配合政治诱降，企图迫使国民政府屈服。
日军全面加强对中国的经济封锁，军事进攻和政治诱降，给中国抗战增加了更大的困难，国民党内的一些人更加动摇，妥协投降危机空前严重。
为粉碎日军对华北的全面进攻，打击其“囚笼”政策，争取华北战局更有利地发展，并影响全国的抗战局势，克服国民党投降的危险，八路军总部决定发动一次以破击正太路为中心的对华北日军交通线的大规模进攻战役。由于战役发起第3天，八路军参战部队迅速增至105个团，故称“百团大战”。
正太铁路，从河北石家庄到山西太原，全长200余公里，横员太行山脉，把巍巍太行劈为两截。它是日军连接山西、河北的重要交通命脉，也是日军施行“囚笼”政策的重要支柱之一。日军在铁路沿线大小城镇、车站和桥梁、隧道附近，均筑有坚固据点，各以数十人至数百人守备，并经常派装甲列车进行巡逻。铁路两侧10至15公里的要点，还筑有一线外围据点。日军自诩正太铁路是一条“钢铁封锁线”。日军以此隔绝八路军总部、第129师活动的太行抗日根据地与晋察冀抗日根据地的联系，并以此为依托，进攻抗日根据地。
1940年7月22日，八路军总部向晋享冀军区、第129师、第120师下达关于以破击正大路为中心的《战役预备命令》，并上报中共中央军委。《命令》在分析了国内外形势的变化后指出：八路军应以积极的行动在华北战场开展较大胜利的战斗，破坏日军进攻西北的计划，创造显著战绩，影响全国的抗战局势，兴奋抗战军民，争取时局好转。这是严重的政治任务。为打击“囚笼”政策，打破日军进犯西安的企图，争取华北战局更有利的发展，决定趁目前青纱帐与雨季时节，日军对晋察冀、晋西北及晋东南“扫荡”较为缓和，正大路沿线较为空虚的有利时机，大学破击正太路。同时，对其他重要铁路，特别是平汉、同蒲路，应组织有计划的总破袭，以配合正大路破击战的行动，规定直接参加正太路作战的总兵力应不少于22个团，要求晋察冀军区派出10个团，第129师派出8个团，第120师派出4至6个团。总部炮兵团大部、工兵一部也参战，在其他铁路线配合作战的兵力，由各集团自行安排。
8月8日，八路军总部下达《战役行动命令》，确定了战役部署和作战地域；晋察冀军区以主力10个团破击正太路平定（不含）至石家庄段，重点破击娘子关至平定段；对边区周围的北宁、津浦，德石、沧石、平汉等铁路，应同时分派足够部队破击之，阻击可能向正太路增援之敌。第129师以主力8个团，附总部炮兵团1个营，破击平定（含）至榆次段，重点破击阳泉至张净段；对根据地周围的平汉、德石、同蒲、白晋路及邯大、临屯公路，应同时分派足够部队破击之；对平辽公路应派有力部队积极活动，第120师以4至6个团破击平遥以北之同蒲路及汾离公路；破击同蒲路部署应以主要乒力置于阳曲南北地区，阻敌向正太路增援，并力求以约2个团进至榆次南北地区，配合第129师作战；对晋西北腹地内各个敌据点及交通线，应分派部队积极破袭。总部特务团集结于下良，西营地区待命，战役统一由八路军总部指挥。战役发起时间为8月20日。
战役首先从正太路发起，尔后迅速扩展到除山东以外的整个华北地区和主要交通线，其中包括：冀察全境、晋绥大部和热河南部地区；正太、平古路全线，安阳以北之平汉路，德州以北之津浦路，临汾以北之同蒲路，归绥以东之平绥路，北宁路之山海关至北平段，白晋路之平遥至壶关段，以及正在修筑的德石路、沧石公路等。在这些地区和交通线，驻有日军3个师团及另2个帅团的各2个联队，5个独立混成旅团及另4个独立混成旅团的各2个大队，1个骑兵旅团的2个大队，共20余万人，飞机约150架，另有伪军约1.4万人。其中驻正大路沿线及其附近地区的有独立混成第4旅团（驻娘子关及其以西，司令部驻阳泉）、第8旅团（驻娘子关以东，司令部驻石家庄）、第9旅团（驻太原附近地区）。八路军参战兵力，计晋察冀军区39个团，第120师（含决死第2、第4纵队）20个团，第129师（含决死第1、第3纵队）46个团，共计105个团，20余万人。此外，尚有许多地方游击队和民兵参加作战。
百团大战经历了两个主动进攻阶段和一个反“扫荡”阶段。
战役第一阶段（8月20日至9月10日），中心任务是破击日军交通线，重点摧毁正太铁路。
8月20日夜，正太路破击战全面展开。八路军参战部队避开日军的外围据点，直接隐蔽运动到正太路两侧，突然发起全线攻击。日军事前毫无察觉，措手不及，一时全线被动。
晋察冀军区在司令员兼政治委员聂荣臻指挥下，以8个步兵团、1个骑兵团又2个骑兵营、3个炮兵连、1个工兵连和5个游击支队，组成3支主力纵队（即右纵队、中央纵队、左纵队）、1支钳制部队和总预备队，担负正大路作战任务，破击正太路之阳泉至石家庄段，同时，对平汉路高碑店至石家庄（不含）段、北宁路北平至山海关段、津浦路泊头镇至唐官屯段及沧石公路等，也作了相应部署，要求必须切断上述日军交通线，保证主攻方面作战的顺利进行，此外，还部署第2、第5，第8军分区部队，分别在同蒲路北段、雁北地区及津浦路沿线进行钳制活动，晋察冀军区右纵队（辖第5、第19团）负责破击正太路娘子关至乱柳段。20日至27日，该纵队两度攻占娘子关、两次攻入磨河滩、移穰车站，并攻入巨城，
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