9月16日，总部下达了百团大战第二阶段作战命令，指示第二阶段作战目的是扩大战果；作战基本方针是继续破坏敌人交通，摧毁深入根据地的某些据点。作战部署是：第120师集结主力破击同蒲路宁武、轩岗段；晋察冀军区集结主力破袭涞灵公路，夺取涞、灵两城（主要是涞源），并以有力一部在同蒲路东侧配合第120师作战；第129师以收复榆社、辽县为目的，开展榆辽地区斗争，并以有力一部不断破击白晋铁路北段。此外，对破袭沧石、德石、邯济、平汉、平绥、北宁、津浦铁路，阻敌修复正太铁路，也作了部署。

百团大战第二阶段，晋察冀军区主要进行了涞灵战役，第129师主要进行了榆辽战役，第120师主要破击了同蒲路。

1、涞灵战役

日军驻蒙军占领的涞源、灵丘地区，深入晋察冀边区西北部。驻涞源、灵丘及其附近的是日军独立混成第2旅（司令部驻张家口）、第26师（司令部驻大同）各一部，共1500亲人，另有伪军1000余人。日军受到第一阶段打击后，提高了警惕，各据点纷纷增加兵力（其中涞源城已增到500人左右），增修加固工事，储备粮弹，严加戒备。

晋察冀军区决定调集部队，组织涞灵战役。部署是，以第1、第2、第3、第20、第25等5个团及游击第1、第3支队，第1军分区特务营，军区骑兵第1团的1个营，共约1。5万人，组成右翼队，在战役初期夺取涞源及其附近据点，打敌增援，尔后视情况转移攻势于灵丘外围，协助左翼队相机夺取灵丘；以第6、第26团和察绥游击支队，共约5000人，组成左翼队，在战役初期阻敌增援，以有利于右翼队作战（其中第6团暂归右翼队指挥），尔后在右翼队协助下转移攻势，夺取灵丘及其附近据点。此外，以冀热察挺进军平西军分区第9团袭击桃花堡及其附近据点，随时准备打击向蔚县、涞源增援之敌；以第2军分区第4团活动于五台地区，钳制向灵丘增援之敌。同时，命令冀中军区除以主力一部配合冀南军区破击沧石、德石铁路，另以一部袭击北宁、津浦铁路外，组织任（丘）河（间）大（城）肃（宁）战役，钳制驻冀中日军，使其不得西援。

9月22日22时，涞灵战役开始，右翼队向涞源具城及其周围据点发起猛烈攻击。经一夜激战，夺占东、西、南关，日军退入城内固守。

23日，右翼队决定先集中力量拔除外围据点，再行攻城。当夜，第2团在第1团1个营及炮兵配合下，猛攻涞源城东10公里处涞（源）易（县）公路上的敌重要据点三甲村，歼敌大部，将其占领。同时，第3团向涞源城东北日军另一重要据点东团堡发起猛攻。该据点由日军第2混成旅的一个教导队共130余人驻守，成员全系各部队选来的士官，训练有素，武器精良，并有坚固的环形防御工事为依托。攻击部队不顾敌人的猛烈火力和不断施放毒剂的威胁，连续勇猛进攻，至24日夜，攻克该村周围全部堡垒，挫折了敌人的锐气，将残敌压迫于村中数间房屋死守。

25日，敌将据点库存武器、物资、粮食全部烧毁，准备突围。攻击部队再度向敌猛攻，残敌突围无望，投火自焚。东团堡歼灭战，显示了八路军的英勇顽强，使日军震动很大。

到26日，右翼队其他部队和平西军分区第9团也连克桃花堡、白乐堡、吉家庄、辛庄、北口、下北头、白石口、中庄、王喜洞、刘家嘴、张家峪、北石佛、金家井等13个据点。

战役发起的第2天，日军开始由张家口等地南援，由于破路不彻底，日军推进迅速。

28日中午，日伪军3000余人搭乘汽车，在坦克20辆、飞机4架的掩护下，进抵涞源城。

在这种情况下，右翼队已难开展有利的攻势，晋察冀军区乃决心转移攻势于灵丘地区，第一步扫除灵丘、浑源间敌据点，第二步夺取大营东南至神堂堡一线及大营、沙河以北山地内敌据点。10月2日，晋察冀军区命令右翼队主力集结涞源以东及东南地区整理，一部监视钳制涞源之敌，另以第1、第2团归左翼队指挥，加入左翼队作战。

10月8日夜，第1团第1营乘南坡头日军一部出动袭击第2团之机，向南坡头发起进攻，一举袭入敌阵，歼敌大部，残敌逃窜。同时，第6团第1营攻克抢风岭，青磁窑日军望风而逃，9日夜，第6团第3营又攻击了金峰店。此外，向灵丘、广灵间出击的第26团8日夜曾一度攻入黄台寺。

10月9日，晋察冀军区发觉第1军分区《抗敌报》第35期9月22日社论无意中将百团大战第二阶段企图泄露。这时，灵丘方面，浑源、广灵日军1300余人南援，开始反扑。涞源、易县、保定、望都、定县、完县、唐县、曲阳、五台等地，日军正集结兵力，准备粮弹。根据以上情况，军区判断日军可能趁军区主力远在灵丘、浑源、广灵地区作战，大举“扫荡”根据地，遂于10日命令左翼队放弃第二步计划，立即结束涞灵战役，第1、第2团归还第1、第3军分区原建制，第6、第26团主力集结适当地区休整，准备反“扫荡”作战。

涞灵战役持续18天，共毙伤日伪军1