在一系列反共事件发生之后，朱德代表中共中央给重庆的国民党大员们发出一封长电。电报的抬头十分壮观，几乎囊括了国民政府的所有要员：国民政府主席林森、军事委员会委员长兼行政院院长蒋介石、行政院副院长孔祥熙、监察院院长于右任、立法院院长孙科、考试院长戴季陶、司法院院长居正、考试院副院长覃振、西安军事委员会委员长程潜、国民参政会诸位参政员、中央党部各位委员和战地党政委员会委员。
而电报的签署者也颇为壮观：第十八集团军总司令朱德、副总司令彭德怀、政治部主任王稼祥，第一一五师师长林彪、副师长陈光、政委罗荣桓，第一二o师师长贺龙、副师长萧克、政委关向应，第一二九师师长刘伯承、副师长徐向前、政委邓小平，晋察冀军区司令员聂荣臻，冀中纵队司令员吕正操、政委程子华，山东纵队司令张经武、政委黎玉以及陕甘宁边区留守处主任肖劲光。
国共两党的冲突，是意识形态的根本冲突。如果不是外敌当前，也许将继续兵戎相见。无论如何，强敌入侵国土之时，中国内部的诸多问题，加剧了历史演进的多变性和复杂性。身处乱局之中，中国共产党人最大的忧患就是国民党方面可能的对日妥协。反复权衡利弊后，中国共产党人认为，只有用决死的作战才能在影响中国历史命运的“一刹那”，对逐渐弥漫的对日妥协风潮起到警醒、遏制乃至阻止作用。
值此抗战历史重要的“一刹那”，必须发动这样一场苦战。这场艰苦的大战，便是“百团大战”。一开始并没有“百团大战”之称，作战计划的名称叫“正太路破袭战”。 七月二十二日，八路军总部下达《战役预备命令》。《命令》规定了作战意图、战役组织、兵力组成和战役准备要求。 八路军总部拟定的战役发起时间为八月十三日以前。
八月八日，八路军总部下达《战役行动命令》，确定了战役部署和作战区域划分：晋察冀军区主力十个团，破袭正太路平定东至石家庄段，重点攻击娘子关；第一二九师主力八个团附属总部的一个炮兵营，破袭正太路平定西至榆次段，重点攻击阳泉；第一二o师主力六个团破袭平遥以北的同蒲路和汾离公路，阻击日军向正太路的增援。其他各路部队对其相关的铁路和公路进行猛烈破袭，并相机收复日伪军的重要据点，阻击日伪军向正太路的增援。 战役发起时间确定在八月二十日。
八月二十日晚上八时，八路军从南北两面突然间对正太路全线发起了猛烈攻击。正太路横跨太行山脉，全长二百四十九公里，连接着平汉铁路和同蒲铁路，是华北日军重要的战略交通线和补给线，该线上的阳泉和井陉煤矿则是重要的钢铁能源基地。为了确保这条铁路的安全，日军在沿线大小城镇、车站、桥梁和隧道修筑的坚固据点达五十多个，铁路线两侧二十至三十公里的范围内还修筑有外围据点二十多处，由日军独立混成第四、第八和第九旅团各一部负责守备。
突袭正太路的八路军分成左、右和中央三路纵队；同时开始了行动。右纵队由第四军分区五团和第二军分区十九团组成。五团一部首先潜入娘子关村，歼灭村内的伪军后，仰攻日军构筑在关口上的四个大碉堡，激战三个小时后，将红旗插上了娘子关。 左纵队由冀中军区警备旅二团、晋察冀军区特务团和第四军分区平井获支队组成。二十日夜突击开始后，平井获支队袭击岩峰，炸毁了铁路；特务团攻击上安车站，警备旅二团官兵攻入头泉车站，然后连续袭击了平山、获鹿、微水和岩峰至石家庄之间的公路。
中央纵队辖主力第三军分区二团、第一军分区三团和冀中军区第十六团，负责袭击正太路上的要害井陉煤矿。井陉煤矿是日军重点防御目标，矿区内筑有大量的坚固堡垒，形成可以覆盖全矿区的火力网；矿区周边筑有四米高的电网和围墙，围墙外还挖了深壕。二十日夜，三团对井陉煤矿发起了猛攻，一营官兵在矿工的帮助下切断电源冲入矿区。井陉煤矿攻防战一直持续到第二天下午，日伪守军全部被歼。
八路军迅速破坏了煤矿生产设施，并在矿工的协助下引水将井陉煤矿全部淹没，使得日本掠夺中国煤炭资源的重要基地至少半年内无法开工。根据日方统计，八路军的攻击使之损失一亿日元以上。与此同时，二团和十六团攻击乏驴岭、南峪、贾庄等日军据点，歼敌数百，彻底破坏了铁路线。
八路军第一二九师负责攻击的正太路西段，驻有日军独立混成第四旅团司令部，也是阳泉煤矿基地所在地，西面的榆次方向还驻有独立混成第九旅团。二十日的战斗开始后，第一二九师左翼第三八六旅十六团，决死第一纵队三十八、二十五团等部，猛烈袭击寿阳至榆次间的驻守日军。十六团炸毁铁路后，攻入芦家庄车站，歼灭守敌大部；三十八团攻战上湖车站，二十五团攻占马首车站。第一二九师右翼新编第十旅的二十八、三十团等部队，对阳泉至寿阳段发起了猛攻，二十八团攻击狼峪、张净和芹泉车站，三十团攻击燕子沟和桑掌，彻底破坏了沿线铁路设施。