百団大戦
9月22日、山西省方面での第二次攻勢と同時に、察哈爾省察南南境地方に集結していた八路軍部隊も、日本軍の小拠点や通信線や道路といった日本側施設に対して攻撃を開始した。これに対して、日本の駐蒙軍は、主力部隊を傅作義軍に対する警戒のため出撃中であったことから、兵力比において非常に不利な態勢での戦闘になった。独混第2旅団の独立歩兵第4大隊では、淶源県で分散警備中に襲撃を受けて包囲され、そのうちの2か所の分駐拠点が数日間の戦闘の末に全滅した。戦力を集結した駐蒙軍は、9月28日までに包囲された友軍部隊を救出し、10月13日から11月2日にかけて晋察冀辺区粛清作戦を実行して八路軍部隊を掃討した。
八路軍総司令官朱徳は、1940年7月、延安で開かれた会議で、華北での戦闘について、過去3年間に培った基礎をもってすれば最終的には日本軍を一掃できるなどと報告した。このような過激な主張の背景としては、上述のように国民党政権が動揺していたことから対日戦意の高揚を図ったことや、国民党政権軍に対する八路軍の戦力誇示の意図があったと推測されている。
朱徳と副総司令官彭徳懐は、同月、百団大戦について準備命令を発した。参加兵力は最低でも22個団とされ、石太線(山西省太原-河北省石家荘間)、同蒲線(zh, 大同-風陵渡間)、平漢線(北京-漢口間)津浦線(天津-浦口間)、北寧線(北京-瀋陽間)の各鉄道設備がそれぞれ攻撃目標とされた。最重要目標は、中国共産党の本拠地である延安と華北を結ぶ石太線である。また山西省の井徑炭坑などの鉱山も攻撃目標とされた。これを受けて八路軍晋察冀軍区の第120師(zh)と第129師(zh)その他が投入されることになった。
奇襲攻撃を受けた日本側の設備損害は軽いものではなかった。駅舎などが破壊され、線路は各地でレールが外され、枕木が焼かれた。日本側記録によると、鉄道の損害は橋梁爆破73件・トンネル爆破3件・駅舎焼失20件・給水塔爆破5件・線路破壊117件(距離44km以上)、通信網の損害は電柱切断1333本・同倒壊1107本・電線切断146kmに及んだほか、井徑炭坑の採掘場1個所が半年間機能停止となった。中国側主張によれば、鉄道474キロメートル、道路1502キロメートル、橋梁破壊213件、トンネル破壊11件、駅破壊37件とされる。
八路軍の行動としては異例なことに、日本軍の部隊に対する積極攻撃も試みられたため、日本軍に一定の人的損害も生じた。しかし、人的損害に関しては、日中双方の記録が著しく食い違っている。中国側は、日本側拠点2993か所を攻略して、日本兵20645人と満州国軍その他の親日政権軍将兵5155人を死傷させたと主張する。これに対し、日本側の全損害をまとめた史料は無いが、最大の損害を受けた独混第4旅団の記録でも戦死者は276人にとどまっている。
八路軍の損害も、非常に大きなものとなった。中国側も自軍の損害として戦死傷者22000人を超えると認めている。