涞灵战役、榆辽战役是百团大战第二阶段中两个极为重大的战役，在整个百团大战中占有重要的地位。
涞灵战役是晋察冀军区于9月22日发动的，其主要目标是破坏涞（源）灵（丘）公路。当时，日军驻蒙军控制的涞源、灵丘地区深入晋察冀根据地西北部，是日军打入该根据地的一个钉子。9月中旬，由于驻蒙军主力西移绥西，在该地区的日军仅为第二独立混成旅团和二十六师团各一部，约1500余人，另有伪军1000余人。为了拔掉这个钉子，晋察冀军区主力奉总部命令，乘日军主力西调尚未完全返防之机于22日22时发动了涞灵战役。具体部署为：以第一、二、三、五、二十五5个团及游击第一、三支队、第一军分区特务营、军区骑兵团一个营，共约1.5万人组成右翼队，战役初期夺取涞源及附近据点，打击增援之敌，尔后转移攻势于灵丘外围，夺取灵丘；以第六团、二十六团及察绥游击支队，共5000余人组成左翼队，主要活动于灵丘、蔚县地区，在战役初期阻敌增援，配合右翼队作战（其中六团暂归右翼队指挥），尔后协同右翼队攻取灵丘及其附近据点。此外，以冀热察挺进军平西军分区九团袭击桃花堡及其附近据点，打击敌向蔚县、涞源之增援；以第二军分区四团活动于五台地区，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、石德铁路，另一部袭击北宁、津浦铁路外，组织任（丘）河（间）大（城）肃（宁）战役，钳制驻冀中日军。
战役开始后，由杨成武指挥的右翼队首先向涞源及其附近据点进攻。经一夜激战，攻占涞源东、西、南关及附近几个据点，日军退入城内固守。但是，由于日军防守严密，攻击部队兵力分散，我军伤亡很大，被迫于次日退出城关。23日，右翼队改变部署，先集中主力扫清城外据点，再行攻城。当夜，第二团在第一团一个营及炮兵配合下攻克涞源以东10公里的重要据点三甲村，将守敌大部歼灭。同时，第三团猛攻城东北之东团堡。该处守敌第二独立混成旅团士官教导队130余人顽强抵抗，我军屡攻不克。25日，东团堡残敌20余人弹尽粮绝，投火自焚。到26日，右翼队及平西军分区九团还相继攻克了金家井、北石佛、桃花堡等13个据点，歼敌数百人。然而，由于插箭岭、涞源县城等关键据点未能攻克，战局仍处于胶着状态。但与此同时，由于我军阻击不力，23日由张家口出动救援涞源之日伪军推进迅速。28日中午，该路日伪军3000余人即到达涞源城。再战不利，我右翼队奉命放弃攻击，向南撤退。29日，日军“扫荡”了涞源周围，并进到长城线。
10月2日，军区下达涞灵战役第二期作战命令：由邓华率左翼队及右翼队之一团、二团进攻灵丘，攻击日期定于8日。但是我军调动没有躲过灵丘守敌的眼睛。7日，守备涞源、灵丘的敌二十六师团独立步兵十二联队联队长坂吉太郎获得“（共军）独立第一师及其他中共军大部队，由涞源方面西进，……正在窥视涞源、灵丘间之新设汽车路及各地守备队袭击之机会”的情报。
坂吉命令驻抢风岭、南坡头等地的二大队向东出击，寻歼八路军主力。8日午后，日军讨伐队在大安岭附近捕捉到我二团，并将其击退后于当夜在该地附近宿营。但就在当晚，我一团一营和六团一营趁抢风岭、南坡头空虚，突袭该两地，歼留守之敌大部并占领之。同时，二十六团曾一度攻入灵丘、广灵间的黄台寺。9日，坂吉迅速组织部队向抢风岭、南坡头反击，又将其夺了回去。当晚，六团三营袭击金峰店，未果。10日，晋察冀军区根据涞源、广灵日军1300余人南援和灵丘方面战况不利等情况，认为不宜再战，决定中止涞灵战役，部队撤回根据地准备反“扫荡”。
在八路军撤退时，敌独立步兵十二联队主力向涞源、灵丘公路西侧追击，到12日亦未捕捉到八路军主力，遂撤回。
涞灵战役持续20天，双方伤亡均重。八路军战报称，此战毙伤日伪军1000余人，俘日军49人，伪军237人，八路军伤亡1419人。据日军第一军的战报统计，仅在战役的第一期涞灵战斗中，八路军即遗尸1199人，运走之尸体727人，俘虏6人；日军阵亡133人，失踪31人。
为策应涞灵战役，冀中军区在沧石、德石、北宁、津浦各大铁路线破击的同时，于10月1日至20日进行了任（丘）河（间）大（城）肃（宁）战役，毙伤日军805人，伪军322人，俘日军3人，伪军326人，攻克据点29处，胜利完成了钳制冀中日军的任务。
第一二九师发起榆辽战役比涞灵战役晚一天，是在9月23日夜开始的。
根据八路军总部的命令，第一二九师的任务是收复榆社、辽县。驻榆辽地区的日军为独立混成第四旅团一个大队，该大队的主要任务是守备榆辽公路。榆辽公路由阳泉经平定、和顺、辽县到榆社，是日军深入太行根据地最远的一条公路。日军还企图将这条公路由榆社再向西南地区延伸，经过武乡与白晋铁路相连，达到分割太北根据地的目的。榆社是日军自正太路经过平辽公路、辽榆大道向白晋公路各据点输送补给的主要枢纽之一。日军为了牢牢掌握这条公路的主动权，将榆社变成一个大堡垒，尤其是修筑了以东门外榆社中学为核心据点的堡垒群，密布大小碉堡，并将周围修成绝壁，设置以数道铁丝网，火力配置十分严密。
刘伯承将攻击榆社的任务交给了陈赓的三八六旅。陈赓这位黄埔军校第一期的毕业生，这年刚满37岁，打起仗来从来都不怕死。大革命时期曾在火线上冒死救过蒋介石的命，蒋介石在得知他参加中国共产党后，曾多次想说服他投向国民党，但都被陈赓拒绝。1935年，长征到达陕北后，陈赓任红一军团五师师长，红军改编为八路军时，任第一二九师三八六旅旅长。百团大战开始后，他一直在前线指挥作战，屡立战功。现在他又担负起对榆社城的主攻任务。
根据事前侦查的情况，陈赓与参谋长周希汉商定乘夜近敌作战。入夜，攻击部队按部署朝榆社城方向运动，起初一切顺利，但就在主力接近西关城外的房屋时，不知从哪个角落里窜出一条狗，朝隐蔽前进的队伍狂吠不止。狗吠声惊动了城头上的日军，几颗曳光弹射向夜空，爆出耀眼的亮光，攻击部队来不及隐蔽，完全暴露在亮光之下。日军开枪了，盲目地狂扫乱射，在城四周布成了一个火力网。
这一意外，使攻击部队近敌作战计划流产。各路攻击部队只好冒着敌人的炮火攻击前进，但收效不大。天亮后，部队失去了黑夜的屏障，第一次攻击失利。怎么办？周希汉心急如火，在听取大家的意见之后，决定组织火力压制敌人的火力点，发动第二次强攻。
下午4点，强攻开始了。八路军各种武器的火力构成一道道火力网，集中压制日军的火力，掩护攻击部队发起一次又一次有力的攻击。这一着果然有效，经过一夜激战，部队攻克了被日军视为所谓固若金汤的核心阵地西北角和西关碉堡，并顺势占领了西关。
但是，日军还占据着以榆社中学为中心的核心阵地。在这个阵地周围，修筑有大小八个碉堡，形成了相互支援的交叉火力网。同时，碉堡外是人工所筑的高10至30多米的陡壁，陡壁下面又有纵横交错的铁丝网。很显然，如果硬冲过去，部队伤亡肯定很大，而且不一定奏效。
见到这一情景，陈赓亲自来到前线指挥部。他给攻打榆社的部队带来了令人惊喜的消息：敌沿华、王景两个据点已被三八六旅收复。这大大鼓舞了攻城部队。经过精心组织，下午陈赓下令发起第二次攻击。在嘹亮的冲锋号声中，突击部队在火力掩护下，用剪刀剪开五道铁丝网，然后架起用数条梯子接起的云梯，爬上30多米高的峭壁，用浸水的棉被塞住日军碉堡的射孔，攻占碉堡群。
被八路军的猛烈攻势所吓倒的日军，被压缩到榆社中学，依托中学里的一个高大碉堡和四周的围墙，在四架飞机的掩护下，做最后的拼死抵抗。他们凭借优势火力，并灭绝人性地大量施放毒气，使榆社城内到处都是毒气。处在下风指挥所的陈赓和七七二团三营指战员全部中毒，一个个头昏眼花，边流鼻涕边咳嗽。
为了陈赓的安全，参谋长周希汉坚持要他到后方指挥所去。陈赓想起师长刘伯承战前的电报，三八六旅务必在两天之内歼灭榆社日军，并夺取榆社县城，他果断地说：“我要看到你们打下榆社才走。”
陈赓与周希汉一起召集了各团干部会议。敌人是很凶残的，从正面进攻，只能付出重大代价。经冷静分析形势，陈赓决定采取坑道作业，把坑道挖到敌人核心阵地内，用棺材装上炸药实行爆破，让敌人尝尝坐上飞机的滋味。
方案定下后，各团立即分头行动。最紧张的是坑道作业，坑道从西北角的峭壁要一直挖到中学里的碉堡下面，工程量非常大。已经连续战斗了两天两夜的战士们顾不得疲劳，一寸一寸地朝敌碉堡掘进。挖了将近一个昼夜，到25日历时45分，终于完成了坑道作业。
只听“轰”的一声巨响，炸药在地下爆炸。爆炸声像闷雷滚过低空，又像发生了强烈地震一样。
爆炸的余音尚在回响，突击部队就冲入了敌人阵地。经过一阵激烈的白刃格斗，残敌全部被歼灭。当黄昏来临时，三天激烈战斗终于胜利结束。三八六旅在这一仗中共毙伤日寇400余人。
榆辽战役左集团是由陈锡联指挥的。
陈锡联对辽县十分熟悉。自1937年三八五旅奇袭阳明堡飞机场震惊军内外后，三八五旅进驻辽县，一直以辽县为根据地。在战前动员会上，陈锡联动情地说：这一场战斗我们是在辽县的土地上进行，我们三八五旅的指战员要明白辽县也是我们这个旅的家，是我们的根据地，打不好，无脸见辽县的父老乡亲。
为了打好这一仗，陈锡联根据刘伯承的安排，先扫清了榆辽公路上的两个据点——管头和石匣。至9月30日，见时机成熟，便将师主力转用于攻击辽县。然而，正在这时，由于和顺、武乡日军分别向辽县增援，八路军总部命令停止进攻辽县，以一部钳制和顺南下之敌，主力转移至红崖头、关帝垴地区，准备歼灭武乡东援之敌。
30日9时，当三八六旅赶到预伏地区时，三八五旅因管头战事耽误了时间，没有赶到预伏地区，日军600多援兵通过了设伏地区向东而去，恰遇正急急赶路的三八五旅，双方遂展开了一场遭遇战。三八六旅乘机从侧后展开攻击，对日军形成了四面包围之势。四面被围的日军狗急跳墙，在八架飞机的掩护下，占领高地负隅顽抗。激烈的战斗持续了两天一夜，双方伤亡惨重，八路军连续发动了十次冲锋，仍不能全歼顽敌。
10月1日，部队再对日军发动攻击，双方激战终日，从清晨5时一直杀到日落。黄昏时分，从辽县紧急出动西援的400多日军又蜂拥而来，突破了三八五旅的阻击，逼近三八六旅指挥所附近。
同时，从阳泉南援的日军1000余人也已抵达辽县以北的寒王镇。情况更加复杂、多变，在判断已经不能全歼被围日军之后，八路军总部下令部队撤出阵地。历时九天的榆辽战役结束。
