八路军如此大规模的行动想要瞒过日军很难，华北方面军司令部的第2课也察觉到了问题，因此派出精干力量以谍报队、电台侦听、破译密码、电台定位等手段，观察、判断八路军及抗日根据地的动态。
但由于八路军的严格保密措施和长时间养成的保密习惯，使华北日军在遭到这次大攻击前，竟然对八路军的作战计划一无所知。只是出于职业习惯，感觉到山西战场和河北地区情况有些诡异。
甚至于当晋察冀**部队的1个团在8月20日下午，到达娘子关附近的山上，观察娘子关的地形时，该地的日军也未发现异常。且有几个日本兵，尚在其驻区骑民家的毛驴戏闹。
8月20日晚，在晋东北的第120师，在五台山区的晋察冀**，在晋东南的第129师，同时按照作战计划，向当面之敌发起了进攻，这场空前未有的大破袭战拉开了帷幕。
八路军晋察冀**的主力部队冒雨通过山谷河流，避开日军外围据点，直接运动到正太路两侧，当晚向正太路全线突然发起攻击。
右纵队的两个团负责破击正太铁路娘子关至乱柳段，第5团一部首先潜入娘子关村，歼灭村内伪军，黎明攻克娘子关，随后主力部队掩护工兵，大量破坏敌工事，并将关东铁路桥炸毁，随后主动撤离娘子关。
第5团第1营第1连袭入磨河滩，遭到日军反击，21日拂晓撤出车站。
当晚第1连渡过棉河，攻入车站，敌退入营房抵抗。
而磨河滩日军有近1000人凭坚固守，值天降大雨，棉河水涨，不能徒涉，第1连遂抢占车站西面村庄固守。22日下午，日军400多人开始反击，第5团主力在棉河北岸向敌实施火力袭击。第1连在歼敌50余人后，撤出战斗。
与此同时，第19团曾攻入巨城和移穰车站。
右纵队则是炸毁了岩会附近的几座座石桥及木桥，正太路娘子关至乱柳段日军交通完全断绝，日军各据点各自为战。
晋察冀**中央纵队的三个团负责破袭正太路娘子关至微水段和井陉煤矿，20日夜，第3团对井陉煤矿的岗头老矿和东王舍新矿同时发起攻击。第1营在矿工帮助下迅速攻入新矿，歼敌警备队一部，残敌躲入碉堡死守。
第2天下午，全歼守敌。
随后将矿区重要建筑全部炸毁，搬走大部物资，使其半年以上不能恢复生产。
同时第3团还夺取了贾庄、南正日军据点，破坏了南正至微水间铁路。
第2团攻占乏驴岭铁桥东端堡垒，掩护工兵将铁桥炸毁一段，并一度占领蔡庄日军据点。
第16团第2营于20日夜攻入北峪，将守敌大部歼灭，21日掩护工兵破坏北峪石桥；其他各部攻占地都，并将南峪守敌大部歼灭。
左纵队三个团负责破袭微水至石家庄段，20日夜，平井获支队袭击岩峰，爆破铁路；特务团掩护群众破坏岩峰至威州电线、公路。
第120师，在发起进攻后，破袭了同蒲路北段和