命令提出：为打击敌人“囚笼”政策，打破敌进犯西安之企图，争取华北战局更有利的发展，影响全国的抗战局势，“决定趁目前青纱帐与雨季时节，敌对晋察冀、晋西北及晋东南‘扫荡’较为缓和，正太沿线较为空虚的有利时机，大举破袭正太路”。“其他各重要铁道线，特别是平汉、同蒲，应同时组织有计划之总破袭，配合正太铁道战役之成功”。“定八一三以前（约八月十号左右）为开始战斗期限”。
命令要求直接参加正太线作战之总兵力不少于22个团，定于8月10日前完成侦察、器材准备、部队调动等准备工作。
这一注明“十万火急”的绝密电报发到延安，立即被抄送毛泽东、王稼祥、朱德、洛甫、王明、康生、陈云、邓子恢、任弼时、谭启龙和作战局。1959年庐山会议以后，彭德怀曾被指责为背着毛泽东发动百团大战，由于7月22日的预备命令延安收文原件在案，“文化大革命”以后得以澄清真相。
8月8日，朱、彭、左向聂、贺、关、刘、邓发出战役行动命令。规定：聂集团主力约10个团破坏平定（县不含）东至石家庄之正太线，同时，分派部队对津浦、平汉、德石、沧（州）、石（家庄）路的指定地段进行宽正面破袭，阻止可能向正太路增援之敌，相机收复某些据点；
刘、邓集团以主力8个团附总部炮团一个营，破击平定（含）至榆次段之正太路，同时，分派部队对平汉、德（州）石、邯（郸）大（名）、同蒲、白（圭）晋（城）、临（汾）屯（留）路之指定地段进行宽正面破袭，阻止敌人向正太路增援，相机收复某些据点；
贺、关集团破袭同蒲北段及汾（阳）离（石）公路，并以重兵置于阳曲南北，阻敌向正太线增援，同时派部破袭晋西北交通，相机收复若干据点。
命令规定：“上列各集团及总部特务团统由总部直接指挥之”，“限八月二十号开始战斗”。
正如彭德怀在其自述中回忆的：“在敌后碉堡密布的情况下，组织这样统一有计划的破袭，是不容易的。”① 7月22日和8月8日，总部相继下达了关于侦察工作和破坏战术的详细指示，要求对每一个攻击目标都经过侦察，做出计划。对需要特殊破坏技术的水塔、隧道、桥梁，还要求派出便衣组，配以技术人员出动，以计算药量和作业。指示说“战役成果之大小，主要是看破坏正太路之成果而定”。
总部的战役行动命令下达后，各根据地军民情绪热烈，出击兵团迅即掀起练兵爆破热潮，从总部到各师旅团，参谋人员都出动侦察。一二九师三八五旅旅长陈锡联回忆说：“我们这些旅干部，当时都化装去铁路沿线侦察了地形。”侦察人员还深入虎穴，在群众的掩护下，在敌人的交通线两侧村庄、大小据点实地侦察。有的还乘上正太路的列车，把沿线情况一览无余。日军华北方面军参谋长在战役发动后的10月13日向日本陆军次长所作的报告中，在《袭击前的一般征兆》一段内加注说：“独立混成第四旅团司令部所在地的阳泉，在盂兰盆会期间发现很多平日未曾见过的健壮男子前来游逛，市场上卖东西的人，有半数改换了新人。事后查明，从8月前后经常出入阳泉车站的一个男子，据说是共军某部的参谋长。”①
战役的其他准备工作，如粮食和破路器材的筹集，兵站的建设，伤员的转运，向敌占区的宣传等，都按总部要求迅速完成。
一二九师师长刘伯承，政委邓小平，把师前线指挥部设在抵近正太路的和顺县石拐村。晋察冀军区司令员聂荣臻，把前线指挥部设在井陉煤矿附近的小山村洪河槽。
一切就绪，只待时辰一到，给万恶的日本侵略军以沉重的打击。
日军觉察到八路军在集结兵力，但它收集到的情报欺骗了它，它上了彭德怀的当。事后，它的参谋部懊丧地总结说：共军移动和集结兵力，扬言是要与中央军一战，这就巧妙地转移、引诱、欺骗了日军的注意力，从而大规模地集结其兵力。
8月20日，总部所在地上空浓云密布，过午下起了小雨。总部作战室弥漫着紧张的气氛。所有无线电台译电和有线电话，都编组好轮流值班的顺序，以保障战斗指挥和联络的畅通。
彭德怀和左权不时交谈，或听参谋人员汇报情况，或对地图沉思。晚上8时整，各兵团按预定时间发起攻击。各路指战员如猛虎下山，迅速扑向敌人控制的据点、车站、桥梁、碉堡。枪炮声、爆炸声、喊杀声，震撼着正太路和同蒲路、平汉路等交通线的指定地段。彭德怀一夜没合眼，等待着前线的消息。③
21日天明时分，消息陆续传来。首先收到刘伯承师长发来的电报：陈赓旅连克碉堡4座，全歼守敌。完全占领了寿阳西南之芦家庄车站，将车站西10里的铁道、桥梁全部破坏。
紧接着，聂荣臻司令员来电，杨成武连克乏驴峪、北峪、地都等据点，歼守敌200余名。据点段内铁路、桥梁、碉堡、电线悉被破坏，万余民众参加了破袭。聂所属另一部，则完全占领了井陉煤矿，歼守敌百余，解放工人2300余人，矿井机器全部炸毁；郭天民部正猛攻娘子关；冀南军区徐绍恩团破坏平汉路邯郸至磁县段铁路5里。
晚上8点钟，贺龙师长发来战报：张（宗逊）旅全歼静乐东康家会守敌，毙敌200余，俘日兵10余名，缴获甚多……
21日、22日，正太、同蒲、白晋、平汉、平绥、津浦、北宁各铁路及各公路干线上的捷报一份份发至总部。根据彭、左指示，即向前线各部通报战况，并上报中央军委。
22日午饭后，彭德怀和左权在作战室内听取战况，作战科长王政柱汇报实际参战兵力，正太路30个团，平汉线卢沟桥至邯郸段15个团，同蒲线大同至洪洞段12个团，津浦线天津至德州段4个团，邯郸至济南公路线3个团，代县至蔚县公路段4个团，北平至大同线6个团，辽县至平定公路线7个团，宁武、岢岚、静乐公路线4个团……共计105个团。
王政柱话音刚落，左权说：“好！这是百团大战，作战科要仔细查对确数。”彭德怀说：“不管是一百零几个团，就叫百团大战好了。”①当即和左权一起拟电发各兵团，并报中央军委，将此次破袭战役定名为百团大战。同日，《新华日报》华北版和新华社华北分社发布了十八集团军司令部参谋处关于百团大战的第一号捷报，以后逐日发布战报。百团在战的战况成为举国欣闻的消息。
百团大战第一阶段的破袭取得了巨大的成功。
亲临前线，担任正太路西段指挥的一二九师三八六旅旅长陈赓，在他1944年写的自传中，曾热情描写了这一阶段作战的情景：
“1940年8月，奉命参加百团大战，我以精锐之师，半月内毁灭（坏）了所谓敌人的‘大动脉’之正太路。”“一条完整的铁路，一时变成了破烂不堪的荒地。迫令敌寇尽数月之力重新建筑此路。百团大战遍及华北，敌寇兵力备受牵制。”
在这次破袭战中，聂部曾两度攻占娘子关，把国旗插在娘子关上。聂荣臻回忆说：“在侵略军铁蹄下生活了近三年的娘子关地区的同胞，看到八路军的红旗高高地飘在关头，兴奋得流出泪水。”
1940年10月15日，日军华北方面军向日本陆军省提出的《破坏修复情况》报告中说：“石太线被破坏之广泛及其规模之大，远非其他地方可比。”在对八路军所用破路战术进行一番分析后又说：“关于爆破，从其实施效果判断，（共军）事前对干部曾进行过相当教育。”
第一阶段战役中，一个重大的胜利，是聂集团由杨成武指挥的中央纵队，在矿工的配合下，严重破坏了日军侵占的燃料基地井陉煤矿。日军独立混成第八旅团参谋泉可畏翁回忆说：“所谓井陉煤即炼铁用的粘结煤，当时是供给满洲鞍山炼铁厂重要的、不可缺少的原料。在井陉三矿中，最重要的是新矿，所受破坏最大。至少半年以上不能出煤。”
与破袭正太路同时，敌人在华北的交通动脉北宁、同蒲、平汉铁路被截断，其他纵横于华北的白晋、沧石路及各地公路线亦被截肢碎骨。北同蒲线铁路“受到了严重破坏”。
“同蒲线以西的各警备队大部分受到共军袭击，孤立的小据点有些被全部消灭”。“共军第一次攻势以破坏交通、通讯为目标，同时为取得精神的效果，在这些方面的破坏是相当严重的”。
八路军发起的突袭，使华北日本驻军一时间陷于慌乱之中。
8月20日夜，晋中地区大雨，正太路各据点的日军有的在睡梦中就一命呜呼，有的惊起抱枪赤身应战。
守备正太路东段之日军独立第四旅团司令部“开始根本弄不清楚各方面的情况，经过二三天后，才逐渐判明”。
负责正太路守备的日军一一○师团“20日夜接到独立混成第八旅团的电话报告，得知石门附近情况，但以后电话不通，情况不明”。21日该师团长饭沼守（中将）“得悉石太路全线遭敌袭击”，23日方派兵“前往井陉地区增援”。
日本在山西的最高军事当局、驻太原的第一军司令部，“21日从旁系电话中收到第一次报告说：”石太路到处正遭八路军袭击……‘，但以后再无更详细报告。有线、无线电话完全不通，立即陷入情况不明状况“。
日军华北方面军在其《作战记录》中记载说：“盘踞华北一带的共军，根据十八集团军总司令朱德的部署，发动了所谓百团大战，于昭和15年8月20日夜同时奇袭我交通线及生产基地（主要是矿山）。尤其在山西，其势甚猛”。“这次奇袭完全出乎我军意料之外，损失重大，恢复建设需要相当时间与大量资金”。
日军从华北方面军司令部到军、师、旅、联队，据点守备都受到强烈震动。
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