1940年8月20日至1941年1月24日(一说1940年12月5日)，八路军在华北进行了一次百团大战。
从7月22日发布预备命令到最后下达行动命令，八路军总部部署的都是20来个团参加的正太战役。直到8月22日八路军总部作战科首次对战情进行综合整理时，彭德怀、左权才意外地发现共有105个团参加了这次战役。于是，中国人民抗日战争历史上出现了一个光辉的名词——“百团大战”。
八路军总部对于百团大战最初并没有规定战期，只是在预备命令中要求从部队出动之日起准备一个月的粮食，这大体可理解为作战一周左右。因此，一二九师8月17日下达的作战指示要求：“必须保证从廿日廿二时开始连续破击至少五天或七天，并争取更长时间才能达到摧毁任务。”
那么，百团大战为什么又打了这么久呢?
首先，是大好战机延长了作战时间。
战斗打响后的几天内，战区内日军完全处于被动挨打的局面，八路军完全控制了战场上的局势。为了争取更大的战果，8月24日，“集总令正太破击必须坚持至少半个月(15天)之久”。
8月26日，八路军放弃苦守了七天七夜的狮脑山。阳泉日军开始出击。
8月28日，八路军放弃了对娘子关的争夺。河北日军开始进入山西。
8月30日，日军开始实施“晋中作战”，来自晋南的6000多名日军以500人左右为一路，阻击从正太路返回太行山根据地的军民，一度威胁到转移至卷峪沟的中共北方局、八路军野战政治部和一二九师师部，局势开始紧张起来。
根据敌情变化，八路军总部于9月2日下令自次日起全线转移，各种战斗于9月10日全部结束。
其二，为了进一步扩大战果，发动了第二阶段的战斗。
百团大战前期的胜利，使彭德怀产生了开展第二阶段战斗的想法。他于8月31日向贺龙、关向应、聂荣臻、刘伯承、邓小平征求意见，并报毛泽东、朱德、王稼祥。询问是否可以彻底摧毁正太路和同蒲路部分路段，使晋西北、晋察冀、太行山三大根据地联成一片。
这一估计过于乐观，但扩大战果是完全可能的。1940年9月16日，朱、彭、左联名下达了百团大战第二阶段的作战命令。这一命令要求：一、继续破坏敌寇交通;二、克复深入我基本根据地内之某些据点。
9月20日夜，百团大战第二阶段的战斗打响。
其三，反“扫荡”和扩大政治影响使百团大战延长至1941年1月下旬才最后结束。
为了对百团大战实施报复，日军于1940年9月底部署了一场“毁灭战”。编入战斗序列的部队多达5个师团、10个独立混成旅团和1个骑兵旅团，实际出动兵力约15万。
在这种背景下，百团大战转入反“扫荡”阶段。
10月28日，日第三十六师团冈崎大队在一度窜入关家垴，这个地方距八路军总部所在地武乡砖壁村仅十多里山路。此时，陈赓所率的七十二、一十六、三十八、二十五共4个团正在八路军总部附近地区休整。冈崎大队一到关家垴，便被八路军包围起来了。
关家垴战斗于10月30日凌晨4时打响，时在前线的三八六旅参谋长周希汉说：“经两昼夜的激战，发动了十七八次猛烈攻击，多次进行白刃格斗，终于将敌占山头周围有工事的高地完全占领。冈崎大队六百余人几乎全部被歼灭，仅在关家垴的山上，敌人留下的尸体就有二百八十余具，还有尸灰三大堆。可见敌人败得多么惨重。”
八路军的伤亡情况也很严重，连同阻击部队在内，共伤亡六百余人，关家垴战斗因此而成为百团大战受到批评最多的一次战斗。
不容忽视的是，日军更加承受不了一次战斗死亡数百人的损失，关家垴战斗结束后的第二天，也就是11月2日，华北方面军匆匆宣布结束全面“扫荡”，关家垴战斗因此而成为百团大战主要战斗结束的标志。12月10日，八路军总部野战政治部发布了《百团大战总结战绩》，事实上宣告了百团大战的结束。由于战绩统计截止日期为12月5日，因此，史学界不少人以12月5日为百团大战结束的标志。
此后，一方面，各根据地的反“扫荡”战斗仍在继续;另一方面，由于此时的国共关系特别紧张，毛泽东和中央军委也要求“百团大战对外不要宣告结束”。于是，八路军各部一方面继续反“扫荡”，另一方面抓住机会继续打破袭战和伏击战，直至1941年1月24日晋西北根据地粉碎日军的反“扫荡”，百团大战才最后结束。