1．第二阶段的战略部署八路军在第二阶段向交通干线两侧扩张战果。八路军总部及时制定作战方针与作战部 署。1940年9月10日，中共中央发出两个重要文件《中央关于时局趋向的指示》和《中央关于“击敌和友”的军事行动总方针的指示》。对今后的行动作了指示：指出“中央七七宣言及七七决定对于国际国内形势的估计与我党政策的指示，经过两个月国内外事变的发展，已证明是完全正确的。目前国际国内的政治情况，正处在剧烈变化的前夜，我党对于这种变化必须在精神上有所准备”。肯定了百团大战的贡献，指出“我党50万大军积极行动于敌后（尤其是此次华北百团战役）则给了日寇以深重的打击，给了全国人民以无穷的希望”。指出我们的军事行动具体是，我八路军、新四军全部力量，在目前加强团结时期，应集中其主要注意力于打击敌人，应仿照华北百团战役先例，在山东及华中组织一次至几次有计划的大规模的对敌进攻行动，在华北则应扩大百团战役行动，到那些尚未遭受打击的敌人方面去，用以缩小敌占区，扩大根据地，打通封锁线，提高战斗力，并在山东与华中方面继续扩大我军之数量，而给予200万友军及国民党大后方与敌占区内千百万人民以良好之影响，给予敌人向重庆等地进攻计划以延缓的作用。“一切大规模军事行动应是更加有计划准备的，不应轻率举行，减少胜利或招致失败”。
八路军总部彭德怀、左权等就按照中央指示，开始思考“在正太不能继续坚持作战或已彻底完成正太战役任务之情况，我之行动方针”。提出“乘胜开展正太线两侧之战斗，去收复敌深入各该根据地内之某些据点”的设想，要求晋察冀军区组织涞（源）灵（丘）战役，打开边区北部局西；第一二九师在榆社辽县公路组织以收复榆社、辽县（今左权县）为目的的榆辽战役。
开展平原地区的交通战，是百团大战第二阶段的重要的中心任务。
9月7日，彭德怀签发出朱、彭、左署名的致吕正操、程子华、宋任穷并告聂荣臻、刘伯承、邓小平并报中共中央军委电，指出：我冀中、冀南部队必须以最大努力在交通战上取得胜利，基本上粉碎敌筑沧石、德石、邯济路之企图。必须知道，没有交通战上之胜利，坚持平原是不可能的。“因此，决定沧石路全线、德石路由石家庄至束鹿段全由吕（正操）程（子华）负责；德石路衡水至德州段、邯济路邯郸至大名段全由宋（任穷）负责，必须加以彻底毁灭，并应乘我百团大战之胜利，敌已被调集平汉、正太、同蒲沿线及青纱帐未凋以前完成之；对其他各县、镇、市之公路亦应发动民众不断破击”，“目前平原地区敌寇之兵力并不算多（特别是冀南），伪军战斗力弱，在破路中必须配合顽强之战斗，收复某些据点，并发动广大民众参加之”。
因为中央“关于军事行动的指示”中，要求八路军“应扩大百团战役行动”，“到那些尚未遭受打击的敌人方面去，用以缩小占领区，扩大根据地，打破封锁线，提高战斗力”。八路军总部根据中央指示精神，经过仔细谋划，9月16日发出了作战命令。内容是：“为扩大百团大战 第一阶段之战果，贯彻百团大战之目的，拟定百团大战第二阶段之作战计划如次：甲，作战基本方针：1.继续破坏敌寇交通；2.克复深入我基本根据地内之某些据点。乙，作战部署：1.一二○师以截断同蒲路北段交通之目的，集结主力破击宁武、轩岗段同蒲路而彻底毁灭之。
2.冀中、冀南部队以打击敌寇修筑沧石路、德石路、邯济路为目的，应集结主力彻底毁灭各该路已修成之部分及各线路基。3.晋察冀军区以开展边区西北方面工作为目的，应集结主力破坏涞源、灵丘之公路并夺取该两城（主要是涞源），并以有力部队在同蒲路东侧积极配合一二○师之作战。4.一二九师以收复榆社、辽县为目的，开展榆辽地区斗争，并以一部兵力不断破击白晋路北段。5.晋察冀与一二九师原留正太路沿线行动之部队不变，并须积极阻挠敌人之修复铁路。6.挺进军应以有力部队向平汉路北段、平绥路及北平城郊积极活动。冀中应以有力一部在北宁路及津浦路北段积极活动，不断破路倾车，扩大影响，阻敌增援。7.对其余各个大小交通线之配合作战部队由各战略区自行配置之。丙，第二阶段之作战统于本月20日开始战斗。”
晋察冀军区在接到八路军总部关于百团大战第二阶段作战命令之前，在9月l0日就做出了涞灵战役计划。9月17日，聂荣臻和军区参谋长聂鹤亭、副参谋长唐延杰发出了《军区作战命令》。第一二九师按照八路军总部的作战命令，于9月22日制订出榆辽战役计划，以《一二九师基本命令》下达各部队。八路军总部命令下达之前，第一二○师已经制订了破袭忻（县）宁（武）段同蒲路的计划，贺龙、关向应已经将部队做出部署。获得八路军总部领导人“完全同意”，总部还根据正太路破击胜利经验，要一二○师战前做好充分准备，注意严格保密，加强突击兵力；破坏重点指向桥梁、隧道等难以修复的地区；教育部队坚持持久进攻破袭。坚持破坏据点和打击来援助的敌人。贺龙、关向应结合贯彻八路军总部百团大战第二阶段作战并提出集中破坏同蒲路。可以切断日军的供应和援兵，对晋察冀军区和一二九师都有重要帮助。
为了贯彻八路军总部关于积极开展平原交通战的指示，冀中、冀南两军区分别制订了破击德石、沧石路的计划。冀中军区还决定在继续破击北宁路、津浦路的同时，以第八、第九分区主力编成左、中、右三队组织任（丘）河（间）大（城）肃（宁）战役。
彭德怀、左权认真审阅了各个部队报来的作战部署。于9月23日午夜又发出“百团大战第二阶段作战主要攻击目标”的指示。这份电报主要内容是：百团大战第二阶段作战主要攻击目标计，刘师辽县、榆社地区，聂军区涞源、灵丘地区，其中沧石线、德石线，冀南石德线、邯济线，贺师朔县至平原之间蒲线。攻击已于二十二、二十三两日先后开始，各部 尔后进展情形、战报仍应按前规定各项及时报告本部。望各部即日起注意电台联络，并接收总部情况和广播。
百团大战第二阶段增加破袭，以扩张“百团大战”的胜利。向深入根据地内的敌人交通据点展开进攻。按照八路军总部的统一部署，各兵团先后于9月22日、23日开始攻击。晋察冀军区在涞源、灵丘地区， 第一二九师在榆社、辽县地区，第一二○师在同蒲路北段，冀中军区在任丘、河间、大城、肃宁地区发起的战斗都取得了很大战绩。
2．第二阶段战役开展
（1）涞灵战役涞源、灵丘位于晋察冀抗日根据地北部，有着重要地理位置。日军独立混成第二旅团接替阿部规秀的新任旅团长人见与一，及时从察哈尔、张家口派兵深入根据地内部，并在涞源等地建立了据点；大同的日军第二十六师团，也派兵侵占了灵丘等地，给边区北部的巩固发展造成很大威胁。并且榆迈公路也是日军楔入太行根据地的一条重要交通封锁线。日军在这条只有45公里的公路线上，设立了8个据点，屯积着足够半年使用的军需粮弹。由独立混成第四旅团的池边大队担任守备。
可见开展涞（源）灵（丘）战役的重要性。涞源县城有许多据点，虽然日军独立混成第二旅团的两个独立步兵大队和炮兵队的主力调往包头、固阳一线防御国民党军傅作义部，但涞灵地区的日伪军还有2500余人，在涞源县城有独立步兵第四大队的500余人，县城附近较大的据点有近百人。
八路军晋察冀军区右翼队指挥杨成武（ 第一军分区司令员）负责指挥攻击涞源县城及附近日军据点。杨成武等检查了各团的战前准备情况，按总部统一部署，于9月22日2时发出了攻击命令。第一团攻击涞源城，占领了东关、西关和南关，第二团攻击插箭岭、三甲村、中庄三点。但是由于日军顽强固守，战略目标没有实现。
日军筑有坚固的环形工事，独立混成第二旅团士官教导大队170余名训练有素的官兵负责守卫。第三团以第一营担任攻击上庄，切断东团堡与中庄的联系；第二营在东团堡东南两面助攻；第三营由东团堡西面和西南主攻，第九连为突击队。战斗打响后，第三营指战员在当地民兵的带领下开到东团堡附近的馒头山，砍开铁丝网，摸掉敌哨兵，继续向山上的碉堡逼进。碉堡里正在酣睡的日军被惊醒，还未来得及还击，就被塞进去的成捆手榴弹炸了个血肉横飞。攻击东团堡的战斗最为激烈。日军打开探照灯进行顽抗，与冲在前边的八路军战士展开白刃格斗，双方厮杀了整整一夜。后因日军兵力过大，死守，不断组织反冲击，还多次施放毒气，即使攻占一些地方，但因伤亡过重，只好后撤。
挺进军第九团配合涞源战斗，攻克了桃花堡、白乐站和吉家庄3个日军据点。
右翼队9月22日夜间的攻击，日军的主要据点均未攻克。杨成武和第一军分区副司令高鹏等总结战斗经验，一致认为进攻受挫的主要原因，是日军兵力过大，我军兵力过于分散，“应该按照集中兵力，各个歼灭敌人的方针，以一部兵力监视城内敌人，集中力量先扫除周围各据点，再攻涞源城”。他们将战况和改变部署的意见向晋察冀军区作了汇报。聂荣臻司令员复电：同意对涞源之敌“暂采取监视手段，集中主力以猛烈迅速之动作，扫清涞源周围各点，然后再集结主力夺取涞源。因此，令一团暂停止对涞源之强攻，以一个营并附炮兵，配合原攻击三甲村之二团部队，坚决夺取三甲村，其他各部均仍依照原来计划”。随后杨成武通知了第一团、第二团、第三团和其他部队领导人。
23日下午，三甲村东山上堡垒里的日军被八路军的炮火吓得跑了出来，二团第一营随即占领东山堡垒。黄昏时分，第一团第三营与第二团一起攻占了三甲村。与此同时，第一团一部攻克了下北头，守敌大部被歼，残余逃回涞源城；游击第三支队占领了白石口，歼敌一部，敌大部退至插箭岭。中庄、王喜洞之敌，22日夜受攻击后，如惊弓之鸟，23日黄昏 第二团一部和第二十五团第二营刚发起攻击，两个据点之敌便仓皇突围，退到上庄；第二十五团之第三营连攻张家峪不克，转攻刘家嘴成功，残敌向涞源城逃窜。
调整部署后，攻击东团堡和上庄的第三团打得最激烈、最顽强。23日晚，邱蔚指挥第二、第三营继续猛攻东团堡。日军见用轻、重机枪和掷弹筒无法阻挡八路军的凌厉攻势，便大肆放毒，二、三营指战员中毒者达300余人。英雄的八路军健儿毫不畏缩。戴上浸过水的口罩，冒着弹雨毒气，一夜之间接连发起了6次冲锋，歼敌一部，占领了东团堡外围的全部据点。残敌退集于村西南角的一座地主大院里，凭借碉堡连环的核心工事继续顽抗。
24日上午，三营九连面对40名日军的反扑，打得非常惨烈。杨成武回忆当时的战斗说：“九连沉着应战，待敌进至四五十米时才突然开火，将敌击退。三排还趁机夺占了大院西南角一暗堡予敌很大威胁。日军甲田大队长赤膊上阵，亲率数十名士官举着战刀向我一排扑来。排长于勇带领全排与敌展开肉搏。他一个人就接连刺死4个日本兵，自己头上也被敌刺伤，最后毅然拉响4颗手榴弹，与日本兵同归于尽。九连与敌激战3个多小时，连续击退敌人6次反冲击。邱蔚同志亲眼看见一个排冲进去与敌人肉搏，全部壮烈牺牲。沉痛与仇恨使他几乎忘掉一个指挥员的职责，差点跟着冲上去。”
邱蔚团长和政委王建中决定24日晚上发起攻击，攻占了东南角、西南角、西北的堡垒。据参战人员回忆，十二连攻的堡垒有10米高，几十名战士冒着日军轻重机枪喷射出的火舌，把连接起来的大梯子架在了堡垒上。一位叫王国庆的班长，身背20多颗捆在一起的手榴弹，像猿猴一样敏捷地爬了上去，刚要把手榴弹往堡垒塞，被一粒枪弹击中牺牲，人和手榴弹都挂在梯子上。连党支部书记黄禄毅然一跃而起，又背着20多颗手榴弹爬上梯子，把王国庆身上的手榴弹扔进堡垒，刹时一声巨响，堡垒内的日军全部毙命；东团堡的日军集中在大院东北角的一个堡垒里，三团集中兵力攻击。用武士道精神严格训练出来的日军，眼看就要覆灭，可就是不投降，采用连续放毒的办法，结果三团指挥员大部分中毒，加上天已大亮，邱蔚下令部队撤到村沿，继续包围监视。
25日晚，日军被迫自焚，邱蔚带领全团冲了进去，无一漏网。东团堡战斗持续了4天多，日军一个士官教导大队计170多人全部被八路军歼灭，军民庆祝胜利。