继续破击日军交通线，重点攻占交通线两侧和深入根据地内的日军据点　为扩大战果，9月16日，八路军总部发出第二阶段作战命令，要求各部队继续破坏日军交通线,摧毁深入抗日根据地内的日伪军据点。部署是：第120师主力对同蒲铁路北段宁武至轩岗段进行彻底破坏，再次切断同蒲铁路北段的交通;晋察冀军区主力破击涞(源)灵(丘)公路，并夺取涞源、灵丘两县城;第129师重点破击榆(社)辽(县)公路，收复榆社、辽县(今左权)两县城。

晋察冀军区以8个团、3个游击支队、2个独立营组成左、右翼队和预备队，于9月22日发起涞(源)灵(丘)战役，对该地区的日军独立混成第2旅和第26师及伪军各一部发动进攻。右翼队重点攻击涞源县城，由于缺乏攻坚器材，日军顽强抵抗，经通宵激战，未能得手。23日,转为攻击涞源外围日军据点。至26日,相继攻占三甲村、东团堡等10余处据点。28日，由张家口增援的日军3000余人进抵涞源城，右翼队遂转移兵力于灵丘、浑源方向，协同左翼队先后攻占了南坡头、抢风岭、青磁窑等日军据点。10月9日,又有大同日军1000余人来援。晋察冀军区遂决定结束涞灵战役。此役共歼灭日伪军1000余人。

第129师以第386旅和决死队第1纵队两个团组成左翼队，以第385旅(附第32团)组成右翼队，于9月23日发起榆(社)辽(县)战役，向守备榆辽公路的日军独立混成第4旅展开攻击。至30日，左翼队经过艰苦奋战，攻占榆社县城，歼日军400余人。右翼队攻占榆辽公路上的小岭底、石匣等日军据点后，准备协同新编第10旅进攻辽县时，和顺、武乡的日军同时出援，第129师遂决定停止攻城，转移兵力于红崖头、官地垴地区伏击由武乡出援的日军。第385旅在向伏击地域开进途中，与日军援兵600余人遭遇，经15小时激战，日军虽被消灭过半，但余部依托有利地形进行顽抗，双方形成对峙。同时由和顺出援的日军突破新编第10旅狼牙山阻击部队阵地。在这种情况下，第129师遂撤出战斗，榆社复为日军占领。榆辽战役共歼日军近1000人。10月14日,第129师一部在和(顺)辽(县)公路上的弓家沟设伏，歼灭日军一支运输队，击毁汽车40余辆。

第120师为配合涞灵、榆辽地区的作战，对同蒲铁路北段进行了新的破击，再度切断了该线交通。第129师所属冀南军区以12个团的兵力,对日军正在修筑的德石铁路和邯(郸)济(南)铁路以及一些重要公路线，均进行了破击，共歼日伪军1700余人。晋察冀军区所属冀中军区部队10月1～12日,举行任(丘)河(间)大(城)肃(宁)战役,攻克据点20余处,歼日伪军1500余人，破坏公路150公里。第二阶段作战，八路军攻克日伪军据点多处，平毁了部分封锁沟、墙，打击了伪政权组织，进一步扩大了抗日根据地。