（一）百团大战目标的确定
八路军很快认识到日军囚笼政策的危害，总结出破坏侵华日军的交通线是打破“囚笼”的有效办法。八路军总司令朱德指出：“敌人企图利用它的铁路、公路、据点和碉堡，来封锁我抗日根据地陷我于绝境。而我们则必须切断敌人的交通命脉，以制敌之死命。因此，敌后战争的战斗形式主要的是交通战争。”针对日本侵略军这一特点，也是它的弱点，八路军一直非常重视积极破坏敌人的交通，将其当做华北敌后反“扫荡”、反“蚕食”、反“封锁”，粉碎敌人“囚笼政策”的重要战略手段，并且取得了一系列胜利。从1937年9月到1940年5月，八路军在华北破袭铁路1230次，毁掉铁路3313公里；破袭公路4597次，毁路2298公里：炸毁桥梁1056座，取得了辉煌战果。
早在1939年12月，当冀中军区发现日军在积极修筑公路和碉堡时，也开始认识到了敌人编制“囚笼”、切割抗日根据地的阴谋。军区政治委员程子华等当即致电中共中央军委和八路军总部，表示这种交通“绝对不能让敌得逞”，否则将造成坚持游击战争的“极端困难局面”。八路军总部也收到其他抗日根据地党、政、军负责同志的类似报告。冀南军区领导人宋任穷曾向八路军总部提出：对敌人的这种交通设施，我方只采取零星的破坏行动是不够的，必须进一步采取更大规模的有计划的行动。八路军领导认真研究各地的报告，与朱德等反复磋商后提出“由各根据地及时发动、组织一次总破袭战，打击日军的筑路计划，扭转根据地的危险局面”。
1940年4月1日，中共中央发出《关于目前华北华中军事方针指示》指出，由于华中国民党反共顽固派疯狂进攻新四军，形势非常严重，中共中央、中央军委要足够力量南下华中增援新四军。第二天，即4月2日，八路军总部又收到毛泽东急电，再次强调，目前形势相当严重，蒋介石似乎已经下定决心，挂抗日的招牌，做“剿共”的实际。目前受到威胁最大的是绥德和陕北。要求晋西北的八路军以主力对付危及陕北的敌人第五十军。并再派三四万人南下华中打通与陈毅部的联系。此时，八路军也收到消息说，国民党要对晋东南下手。由于当时事情太多，没法集中大量兵力对付日本，只得以小兵团破袭敌人交通线。
朱德由于中央要求与卫立煌会晤并且会晤结束后返回延安，所以八路军总部由彭德怀负责。彭德怀按照事前与朱德多次商定的意见，于4月25日签发了以朱、彭名义致各兵团的电报。电报指出打破“囚笼政策”的重要性和急切性，如不积极求得限止与粉碎，待其完成，将会于我坚持抗战以极大困难和不利。命令“各兵团首长应就当前实际情况，确谋有效之对策”。与此同时，一二九师破袭白晋铁路，5月8日结束，破坏50多公里，摧毁桥梁50多座，毙伤日军350多人，取得了丰硕的成果。
彭德怀和左权曾多次同第一二九师、晋察冀军区的领导同志酝酿、议论组织大规模的交通破击战问题。开会研究或者个别交换意见。赞成八路军总部 4月1日提出的对日军主要交通线进行总破袭的设想。一致认为把破击的重点放在正太铁路线上。因为正太铁路是连接冀晋两省的主要交通干线，战略地位十分重要。并且破坏容易、修复困难。破袭它可以改善晋察冀与晋冀鲁豫两大根据地被分割的局面。
据聂荣臻后来回忆：发动正太路破袭战，是1940年春天我到晋东南时就酝酿确定的。那一次，我们几个同志在一起议论过正太路破袭战的问题。先后参加议论的有彭德怀、左权、刘伯承、邓小平等同志和我。议论中，有的同志曾提出，想把正太路搞掉，使晋冀鲁豫和晋察冀两个根据地连成一片；我的意见是，完全搞掉正太路，将两个区域连在一起，这个想法不够现实。至于对正太路进行破袭，我完全赞成。就是这一次，商定了对正太路进行大规模破袭战的问题。第三八五旅旅长陈锡联后来也有回忆：“左权一天来到黎城县谭家村第一二九师师部，对刘、邓、聂和陈康、陈锡联等说：‘彭总有个想法，由荣臻和伯承同志再度协力，从南北两面对正太路来个大破袭。’将领们听后都很兴奋。有人提出建议说：各打一面不如各打一段，聂和刘、邓可以一个负责破袭东段，一个破袭西段。大家认为这个想法很好，要左权带回总部供彭德怀考虑。”彭德怀根据中共中央关于形势的分析和规定，研究了从各方面收集到的华北日军频繁调动、向陇海路东段和晋南集中的情报，做出了敌“似有进攻潼（关）洛（阳），犯我西北，断我西北国际交通线企图”的判断。为了粉碎日军的“囚笼政策”，争取转变我军不利的形势，彭德怀反复思考，决定组织部队对正太路进行破袭。有一种说法：百团大战是彭德怀根据错误的判断做出的错误决定。因为日本侵略军后来并没有进攻西安和大西北。“文化大革命”中，彭德怀也曾自责对日本进攻方向作了错误估计。但到底日军有没有进攻西北的企图？战后日本防卫厅战史室编写的《华北治安战》记道：“华北方面军对于中国西北，即陕西、宁夏、甘肃、新疆等省的共产化，极为关心……从1939年以来曾想尽各种谋略与措施。”华北方面军在1939年12月召开的情报工作会议上，认为“西北共产地区，是以苏联的支持为背景，如果英法支持的重庆政权一旦破灭，将来可能在此留下抗日动力，与此直接接壤的方面军今后需要对之采取万全对策”。主要表现是日军于1940年5、6月间发动的“晋南作战”，已经打到黄河岸边，日机在轰炸重庆的同时也轰炸了西安。其次是根据日军动向，国共两党中枢当时都有敌将进攻西安、重庆和我西南、西北大后方之估计。国民党方面，也有蒋介石给八路军总部的“迭次”电文 ：“敌在太原集中两师团之兵力，渐增强晋南，准备进攻潼洛”。
中共中央在1940年9月10日《中央关于时局趋向的指示》中指出：“现在日寇正准备向昆明、重庆、西安等地进攻”，“我们应准备于恰当时机在全国提出保卫重庆、保卫昆明、保卫西安的口号”。后来日军没有进攻的主要原因是国内受德意在欧洲胜利的进一步刺激，改变侵路方针，主张南进的海军得到军部支持。提出“不要误了公共汽车”，要求建立“强有力的政治体制”，终于于7月16日迫使米内内阁辞职，近卫内阁重新上台，5天内接连通过了《基本国策纲要》，确定了南进策略，陆军由于侵华成效不大，也不得不配合海军南下战略，在中国继续搞起与蒋介石谈判，促蒋投降，以便和平解决中国问题，建立“大东亚共荣圈”。因此，因为限于情报，彭德怀没有意识到日军的战略方针的转变也是可以理解的。
7月7日，中国共产党发出《中央为抗战3周年纪念对时局宣言》和《中央关于目前形势与党的政策的决定》两个重要文件。彭德怀要求八路军总部的工作人员：“一定要好好学习党中央的‘宣言’和‘决定’。”彭德怀就八路军主力如何在华北敌后贯彻中央的指示精神作了反复的考虑。他曾说，一定要组织—个大的战役，给日本侵略者以狠狠的打击，“扭转这个空前困难与空前投降危险的局面。否则，我们还算什么人民的抗日武装！”为了打击日军，粉碎多田骏的“囚笼政策”，争取时局好转，彭德怀再三考虑，下大决心，很快组织对正太路的大破袭。
1940年7月22日，由八路军总司令朱德、副总司令彭德怀、副总参谋长左权签署预备命令，发给一二九师、一二○师和晋察冀军区（不包括山东方面的我军）并上报给中央军委。命令指出：“由于国际形势的变动，我西南国际交通被截断，国内困难增加，敌有于8月进攻西安，截断西北交通之消息，因此，一部分大地主、大资产阶级之更加动摇，投降危险亦随之严重。我军应积极行动，在华北战场上开展较大胜利的战斗。破坏敌人进攻西北计划，创立显著的战绩，影响全国的抗战局势，兴奋抗战的军民，争取时局好转，这是目前严重的政治任务。敌寇依据各个交通要道，不断向我内地扩大占领地区，增多据点，封锁与隔截我各抗日根据地之联系（特别是对于晋东南），以实现其‘囚笼政策’，这种形势日益严重。又据各方情报敌寇有于8月进攻西安企图。为打击敌之‘囚笼政策’，击破敌进犯西安之企图，争取华北战局更有利的发展，决定乘目前青纱帐和雨季时节，敌对晋察冀、晋西北及晋东南扫荡较为缓和，正太线较为空虚的有利时机，大举破袭正太路。”“战役目的，以彻底破坏正太路若干要隘，消灭部分敌人，恢复若干重要名胜关隘据点。较长时期的截断该线交通，并乘胜扩大，拔除该线南北地区若干据点，开展该路沿线两侧工作，基本是截断该线交通为目的。”命令对形势、战斗原因、目标都作了比较清楚的规定。
当时只规定出动22个团的兵力，即晋察冀军区10个团，一二○师4个团，一二九师8个团。还没有百团大战的名称。后来称百团大战是因为8月20日战役发动后，统计了一下，实际参战的部队是105个团。这时实际参加指挥作战的八路军副总参谋长左权称之为百团大战。
1940年8月26日，八路军总司令部打电报给毛泽东、朱德、王稼祥、张闻天等中央负责同志。电称：“正太战役我使用兵力约百个团，于20日晚已开始战斗，序战胜利已经取得，这次战役定名为百团大战。这是华北抗战以来积极主动大规模向敌进攻之空前战役，应加紧扩大宣传。”
这样就开始称百团大战。后来，各个军区编写战史，统计的结果，实际参加作战的部队是115个团。
自从7月22日战役预备命令下达后，在朱德、彭德怀的统一指挥下，华北各个军区在战前都作了充分的准备。在将近一个月的时间里，完成了地形、敌情的侦察，兵力的部署，道路的选择，爆炸器材的准备，对敌宣传品的印制，军队和民众的动员，兵站的建立，粮秣的贮存等各项准备工作。于是，百团大战在敌人事先毫无所知的情况下，按照预定的计划准时发动了。彭德怀的决心下定以后，对左权说，为了打击敌人的企图，配合晋南及华中各友军作战，保卫大西北，打破日寇妄图消灭我华北抗日根据地之阴谋，坚定全国人民的抗战胜利信心，实现中央提出的克服困难、克服投降、争取时局好转的任务，我们必须在华北敌后组织一次大规模的破袭战役。这几个月一直在酝酿的正太路破袭战，我看可以提上议事日程了。左权表示完全同意，还进一步作补充说：“对平汉、同蒲等重要铁路线和重要公路线，也不要放过。由所在地区抽调部分主力部队进行配合作战，牵制敌人对正太路的增援，保证正太路大破袭战役的胜利！”彭德怀按照习惯，又安排左权去一二九师一趟，把总部的意图告诉刘、邓，听听他们的意见。彭德怀常说，带兵打仗是个十分严肃而又责任重大的事情，每一个战役、战斗，都要事先想好，否则，就有负于中央的委托，就对人民有罪。
7月中旬，左权来到第一二九师师部，向刘伯承师长和邓小平政委等领导同志，传达了彭德怀的意图和设想。他说：要打一个大的破击战役，破击的主要目标放在正太路，而平汉、同蒲、白晋、平绥、北宁各线都要配合行动。除一二九师和晋察冀部队外，一二○师和豫、绥、热的八路军、决死队都将参加作战。刘伯承、邓小平听后表示赞同。刘邓吩咐李达说：“打破敌人囚笼政策，这一着棋太好了，彭总设想很好。正式命令下达之前，一切战役准备工作你们可以提前搞。”第二天，左权返回总部驻地，向彭德怀汇报了第一二九师领导同志的意见，“彭总，可以着手部署了。刘、邓在等着总部下达命令呢”。这样，关于百团大战的决策正式形成。
（二）百团大战作战计划的确定
发动百团大战的目标确定后，对于如何打法还是需要认真筹划。彭德怀对左权等说：经过几年的交通战，已经积累了许多破毁敌人道路、袭取敌人据点的经验，但是敌人也很狡猾，摸索出了不少对付八路军破袭交通线的对策。因此，需要采取攻其不备的战术，才能取得胜利。
知彼知己，方能百战不殆。当时华北日本侵略军军事部署如下：
在华北的兵力，共有9个师团、12个独立混成旅团、一个骑兵集 团和通信、铁道、气象、宪兵等部队，统归设在北平的华北方面军司令部指挥。
华北方面军司令官：多田骏中将。参谋长：笠原幸雄中将。
所辖：保定的第一一○师团，师团长坂沼守中将。
天津的第二十七师团，师团长本间雅晴中将。
北平的独立混成第十五旅团，旅团长长谷川美代次少将。
邯郸的独立混成第一旅团，旅团长铃木贞次少将。