第129师在师长刘伯承、政治委员邓小平指挥下,以8个团(包括决死队第1纵队2个团)、8个独立营的兵力，组成左翼破击队、右翼破击队和中央纵队，亦于8月20日夜对正太铁路西段日军独立混成第4旅大部和独立混成第9旅一部展开攻击;另以2个团会同平定、辽县、榆社等地方武装，分别对平辽、榆辽公路进行破击，并牵制各点守敌，保障主力侧后的安全。左翼队一部进攻芦家庄，连克碉堡4座，歼日军80余人;右翼队一部攻击桑掌和铁炉沟等据点，歼日军130余人。21日,该师为阻止日军从侧背攻击破路部队,令预备队一部抢占阳泉西南4公里处的狮垴山高地。从23日起，阳泉日军在飞机支援下，并使用化学武器，不断向狮垴山猛攻。第129师阻击部队英勇奋战，坚守6昼夜,歼日军400余人，保障了破击部队翼侧的安全。经数日作战,第129师控制了正太铁路西段除阳泉、寿阳以外的大部分据点及火车站，严重破坏了该段的路轨、桥梁、隧道，使正太铁路西段陷于瘫痪。

与此同时，第120师在师长贺龙、政治委员关向应指挥下，以20个团的兵力破击同蒲铁路北段和铁路以西一些主要公路，并攻占阳方口、康家会、丰润村等据点，歼日伪军800余人，切断了同蒲铁路北段和忻县至静乐、汾阳至离石等公路。

为配合正太铁路和同蒲铁路北段的破击战,第129师和晋察冀军区还令所属部队出动50多个团的兵力，在游击队和民兵的配合下，对平汉、平绥(今北京-包头)、北宁、同蒲(南段)、白晋(白圭-晋城)、津浦、德石等铁路线和一些主要公路，以及日军占领的许多据点，进行了广泛的破击和袭击。

8月25日后，日军从白晋铁路、同蒲铁路南段抽调第36、第37、第41师各一部,配合独立混成第4、第9旅向第129师反击;从冀中、冀南抽调约5000人的兵力，配合独立混成第8旅向晋察冀军区部队反击。9月2日,日军合击正太铁路南侧的安丰、马坊地区的第129师。该师以4个团的兵力英勇抗击,毙伤日军200余人。9月6日，第129师第386旅和决死队第1纵队各两个团,于榆社西北双峰地区包围日军1个营，击毙400余人，打破了日军的合击。晋察冀军区为策应第129师作战,以4个团向正太铁路北侧盂县地区的日军出击，迫使正太铁路南侧的日军北援。同时，第120师对同蒲铁路忻县至太原段的破击，也有力地牵制了日军对正太铁路的增援。

9月10日,八路军总部为休整部队，准备再战，命令各部结束第一阶段的作战。第一阶段作战，由于八路军突然而猛烈地破击日军占领的交通命脉，使日军联络中断,到处被动挨打,陷入一片慌乱之中。汉奸、伪军更是惶恐不安。沦陷区人民异常振奋，自发地支援八路军作战。