战役第二阶段（9月20日至10月5日），重点攻占交通线两侧和深入根据地内的日军据点。晋察冀军区部队发起涞（源）灵（丘）战役，歼日伪军1000余人。第129师发起榆（社）辽（县）战役，歼日军近1000人。第120师对同蒲铁路北段进行了新的破击，再度切断了该线交通。晋察冀军区所属冀中军区部队发起任（丘）河（间）大（城）肃（宁）战役，歼日伪军1500余人。八路军攻克日伪军据点多处，进一步扩大了抗日根据地。
战役第三阶段（10月6日至翌年1月下旬），中心任务是反击日军大规模报复“扫荡”。从10月初起，日军调集重兵实施“反击作战”，对华北各抗日根据地进行大规模残酷“扫荡”，将重点置于中共中央北方局、八路军总部等领导机关所在的太行抗日根据地，尔后又相继对太岳、平西、北岳、晋西北抗日根据地进行“扫荡”。日军所到之处，实行“三光政策”，使抗日根据地遭受重大摧残。
历时4个多月的百团大战，八路军在地方武装和广大人民群众的紧密配合下，共作战1824次，毙伤日军2万余人、伪军5000余人；俘日军280余人、伪军1.8万余人；拔除据点2900多个，破坏铁路470余公里、公路1500余公里；缴获各种炮50余门、各种枪5800余支（挺）。八路军也付出了伤亡1.7万余人的代价。日军在遭受打击后惊呼“对华北应有再认识”，并从华中正面战场抽调2个师团加强华北方面军，对华北各抗日根据地进行更大规模的报复作战。
百团大战是抗日战争中八路军在华北地区发动的一次规模最大、持续时间最长的进攻战役。在这次战役中，中国共产党领导的华北敌后抗日军民，齐心协力，前仆后继，同日本侵略者浴血奋战，充分表现了中华民族不屈不挠的战斗精神，在中国抗日战争史上写下了光辉的一页。
