八路军突然发难，这对于华北的局势产生了巨大的影响，尽管日军已经制定了应对措施，然并卵，在八路军的精心布局下，日军短时间内只能被动挨打。
除井陉煤矿等地外，8月20日20时总攻发起后，第16团5个连进攻芦家庄车站，连克碉堡4座。第16团向榆次游击的2个连配合工兵炸毁芦家庄至段廷之间的所有桥梁。
第38团则是突然袭击攻占上湖、和尚足2个车站。第25团攻克马首车站，日军逃向寿阳。
第28团则是兵分三路，攻击狼峪、张净、芹泉车站；第30团向桑掌、燕子沟进攻。当晚攻占桑掌，并将该处大桥破坏。
21日占领燕子沟，炸毁2两座铁桥。到23日，又攻克狼峪、芹泉等据点。在此期间，右翼队还攻克了坡头、辛庄、赛鱼、铁炉沟、小庄、张庄等车站和据点。
第129师总预备队第772团于8月22日、25日2次强袭平定西南冶西之敌，将敌大部歼灭，占领冶西。
至此，正太铁路西段除寿阳等少数据点外，均为第129师所控制。由于部队攻击猛烈，正大路西段日军数日内联络中断，各据点日军在被攻击围困之中，迅速被歼。
第129师动员组织民众，采用搬拆、爆破、火烧、水淹等方法，破坏铁路、车站及其附属设施。为掩护师破袭作战，战役开始时，第129师即以总预备队的第14团占领狮垴山。
日军独立混成第4旅力从8月21日上午起，集中阳泉日军，并武装日本侨民，连日出犯狮垴山。
敌兵力由200余人增至600余人，在约20架次飞机轰炸扫射和施放毒剂的支援下，连续进行反扑。第129师总预备队战至25日，先后打退敌多次进攻。随后，日军进一步增兵，继续向狮垴山反扑。第14团在坚守6昼夜、歼敌400余人后，主动撤出狮垴山主峰，继续以小分队钳制日军，主力转移执行新的破路任务。
至此，八路军在正太线破袭战取得重大胜利，第一步战役目标基本实现，
与此同时，第42集团军为配合正太路破袭战，从8月20日20时开始，对同蒲铁路和晋西北主要公路展开大规模的破击，攻取敌铁路公路线上的据点。
康家会是忻静公路上日军最大的据点，驻有日伪军350余人，其东北石神有敌300人，西南利润有敌100余人，静乐有敌700余人。
第42集团军出动2个步兵团和1个炮营进攻康家会，2个团在康家会以东的炭窑沟、青龙庄间设伏准备歼灭石神增援之敌；以一个团在康家会以西的砚湾设伏，准备歼灭利润、静乐增援之敌。
8月21日零时30分，第4团第2营向康家会发起攻击，拂晓时将守敌全歼。由静乐乘2辆汽车增援的日军400余人也被歼灭，由石神增援之敌也大部被歼。
为扩张战果，第42集团军以第4、第8团各一部强袭丰润，其余部队负责打援，8月25日晨将丰润山上碉堡攻占。但正组织火力准备攻击猬集山下大庙内的日军时，敌增援部队赶到，攻击部队遂撤出战斗。
其他部队则是曾先后2次袭击寨子村，同时袭击岚县。第2团破坏峪口至圪洞公路数里，又在班家庄以西山地伏击日军，并连袭石门鄢、寺圪塔敌据点。
在短短不到一周的时间内，第42集团军在晋西北先后作战70多次，歼日伪军1800余人，攻克康家会、阳方口、平社、龙泉等敌车站和据点，一度切断了同蒲铁路北段以及忻静、太汾、汾离公路敌军交通线，钳制了日军大量兵力，使其难以增援正太路，有力地支援了第129师、晋察冀军区方面的作战。
在八路军不断地破袭各地的日伪交通网的时候，日军也逐渐的摸清楚了八路军的意图，开始组织部队进行反扑。