敌第1军对此进行分析认为，当八路军开始攻击时，日军两列复员部队的列车偶然到达了娘子关和阳泉，八路军可能以为其作战行动，事先已被日军侦知，因而停止攻势。

筱塚的第1军当即将情况上报到华北方面军司令部，多田骏等人在弄清情况后，即调动部队向正太路沿线增援，和令驻于平汉路北段的部队，在铁路沿线地区，对八路军进行扫荡。

随后，日军驻山西第1军调集了10个步兵大队，及配属炮兵等共约8000人，对在正太铁路以南昔阳、和顺地区的129师，以6路进行合围。

其作战部署为，独立混成第4旅团，以所属4个独立步兵大队，及配属第36师团的1个步兵大队，在西部独立混成第9旅团的配合下，由平定、和顺向西，由辽县、榆社向北，对正太铁路以南的马坊、松塔、安丰地区之129师，进行包围。

独立混成第9旅团，以所属3个步兵大队，及配属第36师团、第41师团各1个步兵大队，由榆次、太谷向东进攻，与独立混成第4旅团配合，从东、南、西、北，对阔郊、松塔、横岭村、马坊、安丰地区的129师部队进行合围。

129师的部队对日军这次合围，先越出了包围圈，并歼灭其中一路约200人后进行待机。

当日军的这两个旅团经两天扫荡而于9月4日开始返回时，129师一部于6日，在榆社县以北约20公里的双峰镇，突然包围了独立混成第4旅团之一部约400人，并将其歼灭。

为从战役上策应第129师打破敌之合围，根据八路军总部的命令，晋察冀军区以4个主力团向正太路阳泉以北盂县地区之敌军出击，迫使阳泉、寿阳以南之敌军增援盂县。

第120师则对同蒲路忻县至太原这一区段进行破袭，以牵制敌人对129师的进攻。

9月10日，八路军总部下令结束第1阶段的作战，作第2阶段的作战准备。

百团大战第一阶段的战果还是值得肯定的，在八路军取得对敌交通进行大规模破袭第1阶段的胜利后，在重庆的蒋委员长，当即对八路军指战员的英勇作战，特于9月11日致电嘉奖。随后，八路军开始了第2阶段的作战。

第二阶段的作战仍然是破袭日军赖以运动的交通线，继续扩大战果，重点是摧毁敌交通线两侧及深入至根据地内的据点。

接着，八路军总部给各部队下达了新的作战命令：第120师以主力对同蒲铁路北段宁武至东南的轩岗段进行彻底破坏，再次切断同蒲铁路北段的交通；晋察冀军区以主力破坏涞源至灵丘之公路，并攻占涞源、灵丘两城；第129师重点破袭榆社至辽县公路，攻占榆社、辽县两城。

八路军的进攻一直持续到十月份才因为日军的反击而被迫转为防御，战斗才算是暂时告一段落。

而八路军的此次进攻算是彻底的激怒了日军，他们从来都没有想过，土拨鼠一样的土八路竟然也能发起如此凌厉的大规模进攻。

随即，华北方面军开始对八路军展开报复性反击。