按八路军总部原来规定，参战兵力不少于22个团。但战役发起后，由于八路军广大指战员和抗日根据地民众痛恨日军的“囚笼政策”，参加破击战的积极性非常高，因此各部投入了大量兵力，计晋察冀军区39个团、第129师(含决死队第1、第3纵队等)46个团、第120师(含决死队第2、第4纵队等)20个团，共105个团20余万人，还有许多地方游击队和民兵参加作战。
当彭德怀、左权在八路军总部作战室听取战役情况汇报、得知实际参战兵力达到105个团时，左权兴奋地说：“好!这是百团大战。”彭德怀说：“不管一百多少个团，干脆就把这次战役叫做百团大战好了!”
由此，正太战役就发展成为百团大战。这次战役经历了两个主动进攻阶段和一个反“扫荡”阶段。
第一阶段(8月20日至9月10日)。八路军在正太、同蒲、平汉、津浦等主要交通线发动总攻击，重点破坏了正太铁路。经过20天的战斗，预定计划全部完成。正太铁路线的路轨、桥梁、隧道、水塔、车站等均被破坏;平汉、同蒲(北段)、石德、北宁铁路以及主要公路也被切断;华北各交通线陷于瘫痪。
第二阶段(9月22日至10月上旬)。任务是继续扩大战果，摧毁交通线两侧和深入各抗日根据地的敌伪据点。在这段时间里，我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师主要破袭了同蒲路。在这些战斗中，八路军给敌人以沉重打击;但是，我军计划要拔除的敌据点未能全部拔除。
第三阶段(10月6日至翌年1月24日)，主要任务是反击日伪军的报复扫荡。在这段时间里，八路军先后粉碎了日伪军对太行、太岳、平西、北岳、晋西北等抗日根据地的大规模扫荡。
百团大战历时5个多月。从8月20日至12月5日的3个半月中，八路军共进行大小战斗1824次，共计毙、伤、俘和投诚日伪军达46480人。其中包括：毙、伤日军20645人，伪军5155人;俘虏日军281人，伪军18407人;日军自动携械投诚者47人，伪军反正者1845人。同时，缴获各种枪5942支(挺)，各种炮53门;破坏铁路474公里，公路1502公里，桥梁213座，火车站37个，隧道11个;破坏煤矿5个，仓库11所。此外，还缴获和破坏了其他大量军用物资。
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