刘伯承、邓小平欣然表示赞同。
随后，刘伯承、邓小平召集师司令部和政治部的首长研究战役的准备工作。
7月22日，八路军总部下达了《战役预备命令》，同时上报中共中央军委。
同日，刘伯承和邓小平联名下达了关于准备进行正太战役的指示，要求部队“注意休养体力，加强军事教育”，“在休养30天内每人增加5分菜金”，“设法求得相当的充实，并注意鞋子、干粮”。
刘伯承还专门对司令部的人员作了交代：这次本师遂行大规模的破袭战役，首先是对据点的战斗，不可避免地要进行强袭和攻坚，应把困难设想得多一点，把准备工作考虑得更周到一点。准备工作要突出侦察、防谍和技术战术三个方面。侦察不仅要广泛收集整理情报和有关材料，通过游击队、自卫队等监视敌人的行动，而且必须组织各级首长、司令部机关实地勘察，确实掌握各该部队攻击目标的地形和敌情，增加胜利的把握。师司令部要派人直接作战役侦察。防谍要加以十二分的注意，战役企图绝对不得过早暴露。
作战计划严格按级传达，部队集结、开进要适时，尽量采取夜间行动。在一般居民中可散布我们将南下对付国民党顽固派，以迷惑敌人。技术、战术要组织一些应急训练，熟练武器、工具的使用，搞好步兵、炮兵等的协同动作。
可以把白晋战役以来各部队的破路经验收集一下，整理成文件，发给部队。
师参谋长李达向参谋们作了具体布置，把刘伯承的指示——落实下去。8月2日，《关于破路经验通报》下发给了部队。
8月5日，刘伯承、邓小平就作战指导息想给各部队发了个指示。指示分析了日军的铁路、公路和据点的各自作用和相互关系，揭露了日军的“拐骗术”，在于把八路军的注意力引向“伸出的公路和据点”，以达到其保护铁路的目的。指出基干军队因为“忽视了铁路的重点”，所以处于被动地位。
要求“坚决地向着敌占区和铁道交通线。对敌深入之据点，则应以小部队坚决地、经常地、真正地接敌活动。对敌延伸之公路，以小部队掩护自卫队破袭，特别不准敌人修成由南到北与铁路平行的汽车路，而将基干军队和游击队不断地轮流辗转破袭平汉路。这样就可使敌被动，阻敌向内延伸，又可开展敌占区工作，解决粮食特别是铁路东西交通问题。”
各部队接到刘泊承、邓小平的这个指示，进一步认识到破击铁路是交通斗争的中心环节，扭转了存在于部分干部中的破击铁路不如打据点光彩的情绪，思想一致地投入到正太路破击战役中去。
8月18日晚，刘伯承、邓小平在和顺县石拐镇师前方指挥所召开作战会议，向参战部队指挥员布置作战任务。
刘伯承首先传达八路军总部的指示：“总部命令，这次正太路破击战役，我师跟晋察冀军区共同进行，他们在东段，我们负责西段，彼此以阳泉为界。
我们准备投入10个团的兵力，其他部队。已分布在平汉、白晋、同蒲诸线，进行广泛的破路袭敌，以策应正太路的作战。担任正太路主要作战任务的10个团，拟分成3个纵队，请大家把师部发的晋东南情报图打开，由李参谋长来介绍敌情和说明本师任务。”
李达按照情报图介绍敌情：“我师当面之敌为片山第四混成旅团所辖4个步兵大队，并各附骑兵、炮兵、工兵、辎重兵及通信兵。分布于正太路盘石至段廷段的是德江光第十五大队。另3个大队以阳泉为中心，向铁路南北延伸：北伸盂县的是第十二大队，南面昔阳、和顺两县驻的是铃木第十三大队，辽县、榆社驻的是板津第十四大队。另外，守备北同蒲路的第九旅团所属吉野大队，则分布于榆次、太谷、徐沟及其附近地区。”然后说到第一二九师的作战任务：“总部决定于8月20日起，我参战部队同时向正太路、平汉路、同蒲路，开始进行连日大破击。晋察冀部队破击正太路阳泉（不含）以东段，我们师主力破击正太路阳泉至榆次段（均含）及平辽公路。估计我们师的主要敌人是片山第四混成旅团驻铁路部队。我军开始破击后，敌人将会以装甲火车辗转射击，以火车转移其预备队，加强各据点战斗的出击，空军也会有一部参战。敌人伸入平辽的部队，也将抽兵由平（定）和（顺）段进击我右侧背。驻守同蒲路的吉野大队，也有可能调兵经长凝袭击我左侧背。”①刘伯承接着说明战役部署：“根据以上的估计，我们这次战役的纲领：第一，主要是对正太路阳泉至榆次段的铁路和建筑物，进行连日的彻底的破毁，特别对于桑掌至晓庄和马首至芦家庄两段铁路的技术工物，要着重破毁。
第二，各破击队为了保障铁路确实破毁，应兼用专门的便衣队或有力部队，突然潜入铁路线上的必要据点，破毁其要害，烧夷其建筑物。对于路侧远伸的据点，只用少数部队监视，不要强攻，也不要被其抑留。第三，当片山部队由阳泉、平辽公路向我右侧背迂回时，就将其各个消灭之，保障我破路顺利进行，造成收复辽县、榆社的基本条件。对榆次方面来援之敌则进行牵制。”
②然后他对战役作出具体部署：战役由陈康、陈锡联、谢富治统一指挥，部队分为3个纵队：右翼纵队由范子侠、赖际发率2个团，担负阳泉、寿阳间的破袭任务，先集中兵力攻下坡头和张净车站，得手后，再向西扩大战果。中央纵队由陈康、陈锡联、谢富治率4个团，主力隐蔽集结，为师的总预备队；以一部兵力攻占敌冶西据点，牵制平定之敌，另以一部兵力占领阳泉西南狮恼山，阻击阳泉可能出援之敌。左翼纵队由周希汉率3个团，担负寿阳至榆次问的破袭任务，先集中兵力攻下芦家庄、上湖、马首等车站，得手后，视情况向北、向西扩大战果。平和支队由汪乃贵率1个团结合地方武装，分途破毁平定至和顺、寒王镇公路，牵制平辽公路之敌。
最后，邓小平又强调了这次战役的有利条件和应注意的事项。他特别告诫大家：参战的地方武装和民兵很多，要派得力干部去组织带领，关心他们的生活和安全，调动他们的积极性。他并要求大家回去把任务向部队交代情楚，进一步做好战斗动员。
8月20日，刘伯承、邓小平率师前方指挥所进至广阳以南的明水头，设前方联络所于上龙泉以南的马鞍桥。
当晚20时，声势浩大的正太路破击战役打响了。随着一道道划破夜空的红色信号弹醒目的闪光，各路破击部队以神速的动作扑向铁路沿线的车站和据点。在同一时刻，同蒲、白晋、平汉、津浦、北宁等铁路和许多公路干线上都燃起了战火，日军的华北交通线陷入全面被攻击之中。八路军参战部队先后达到100多个团，所以以后就把以正太路为主的破击战役称为“百团大战”。第一二九师参战部队共有46个团。
由于事先进行了成功的保密和佯动，正太路上的日军全然不觉八路军发起战役进攻。开始阶段，日军惊慌失措，一片混乱，沿线车站和据点处处受攻，自顾不暇，无法互援。石家庄、阳泉、太原等各日军旅团司令部，一时也来不及调集兵力，显得十分被动。但日军惊魂稍定，就展开了顽强的抵抗。
破击部队发动了更勇猛地攻击，战斗异常激烈。正太路西段200多里的地面上，枪炮声、炸药爆破声响成一片，夜空中火光闪耀，连绵不断。
①李达：《抗日战争中的八路军一二九师》，人民出版社1985年8月版，第191页。
②李达：《抗日战争中的八路军一二九师》，人民出版社1985年8月版，第191页。
战线左翼芦家庄的战斗进行得紧张而激烈。该据点驻守着日军原田大队的一个中队，有日军40人和伪军20余人。担任攻击任务的是左翼纵队第三八六旅第十六团。战斗开始，第十六团一举突入庄内，连续攻占了车站外围的4个碉堡，将守敌大部消灭。残敌10余人向两溃退，遭到第十六团预伏部队迎击，敌复转向东窜，又与第十六团攻车站的部队遭遇，敌见无法逃出，则占领车站高房死守。第十六团组织强攻，未能攻下。次日拂晓，第十六团实行火攻，并以炮火猛轰，引爆了高房附近的火药库，仅剩的几个敌人仓惶逃出高房，退到一间独立房屋固守。
刘伯承、邓小平在师指挥所里彻夜未眠，等待着破击战的战报，首先传来的是右翼纵队新编第十旅第三十团攻克桑掌据点的捷报。他们经过1个半小时连续3次攻击，就拿下了该据点，并彻底破坏了桑拿大桥。第二天，芦家庄、上潮、和尚足、马首等据点被攻克的报告陆续送来。左翼纵队决死第一纵第二十五团反击前来偷袭的一个日军小队，将敌大部歼灭，缴获轻机枪一挺。刘伯承、邓小平立即通报表扬，同时指示各破击部队加强翼侧警戒，防敌袭击。
21日突然天降大雨。刘伯承、邓小平命令部队不要松懈，继续按计划行动。三路破击纵队不畏恶劣的天候条件，仍然努力攻击。至25日，又相继攻克燕子沟、坡头、狼峪、张净、赛鱼、晓庄等据点，同时攻克了平定西南的外围据点冶西。正太路西段20个据点，除寿阳等少数几个外，已全部攻占。
正太路全线被袭的消息传到阳泉日军第四混成旅团司令部，片山旅团长惊得目瞪口呆。据守狮垴山的第七六九团派出两个连夜袭阳泉，牵制阳泉日军出援。片山草木皆兵，判断八路军至少有2000人，慌忙把城里日军600余人全部集中起来抵抗，并将侨民500余人也武装起来，强迫他们投入战斗。
侨民中不少人吓得六神无主。有的特地穿上了新衣服，准备以身殉战。
为了援救寿阳等残存据点里的日军和扰乱八路军进行破路，片山连续组织重兵猛攻狮垴山，并以大炮、飞机助战。第三八五旅