8月20日20时许，正太铁路沿线突然枪炮声大作，火光冲天，八路军向日寇的“钢铁封锁线”发起了总攻，震惊中外的“百团大战”由此拉开了帷幕。
根据八路军总部的战役部署，晋察冀军区以18个步兵团、1个骑兵团及2个骑兵营、3个炮兵连、1个工兵连、5个游击支队，分别组成了左、中、右纵队、钳制部队和总预备队，在聂荣臻司令员兼政治委员的组织指挥下，向正太铁路东段日军的车站和据点发起猛烈攻击。
22时，右纵队的第5、第19团等部向娘子关至乱流间日军据点发起攻击。娘子关是晋、冀两省交界的要隘和正太铁路的咽喉地区。日军依托该地峭壁悬崖、易守难攻的有利地势，在原有工事的基础上，又增修了4个大堡垒群，周围密布以明暗火力点。此外，在娘子关下村庄还驻有伪军。我担负主攻任务的第5团，首先潜入娘子关村，歼灭了村内伪军，然后依托村庄，向娘子关日军展开强攻。
在日军浓密火力封锁下，攻击部队前仆后继，向娘子关仰攻。架起的云梯被炮火打断了，就搭人梯上，用绑腿带连接在一起搭上悬崖攀登。但日军凭借有利的地形和优势的装备，拼死抵抗，攻击部队伤亡较大，正面攻击一时没能得手。
就在这紧要关头，日军堡垒群侧后突然响起激烈的枪声和爆炸声，原来这是第5团由娘子关侧后迁回的部队，从翼侧向日军展开了攻击。日军受到这突如其来的攻击，顿时阵脚大乱，慌忙组织反扑，经激烈的肉搏拼杀，日寇被歼一部。
正面攻击部队乘势以手榴弹、手雷及缴获的爆破筒对敌人的碉堡实施爆破，随着几声轰隆轰隆的巨响，敌堡一个个被炸成废墟。经3个小时的反复冲杀，我第5团的抗日勇士终于夺取了敌人的堡垒群，攻上了娘子关山头。黎明时分，娘子关日军大部被我军歼灭，八路军胜利的红旗插上了被日寇盘踞3年之久的天险娘子关。
在日寇铁蹄蹂躏下的娘子关地区的同胞，兴奋得流出了热泪，敲锣打鼓地给八路军部队送鸡蛋、猪肉等慰问品。
攻占娘子关后，5团的勇士乘胜破坏了娘子关东面的铁路桥，并收割了敌人的大批电线。与此同时，右纵队的第19团对移粮、巨城、乱流和上、下盘石等日军据点发起猛烈的攻击，歼灭了大量的敌人。
这一天，根据八路军总部的部署，129师担负对正太铁路西段的破击任务。
天一落黑，正太路全线突击部队在夜暗的掩护下，潜到了敌人的鼻子底下。
20时，总破击时间到了。刹那间，数颗红色信号弹划破了情况夜空，灿红的光焰把夜空布染得绚烂多彩。总攻令一出，各突击部队以迅雷不及掩耳之势朝正太路日军的车站和据点猛扑过去……
第129师左翼攻击芦家庄车站的是第16团5个连。芦家庄位于榆次以东约15公里的地方，是一个有50多户人家的村庄，村南有一条东西流向的小河，雨季时河水湍急。村东就是火车站，日军在周围修筑了4个碉堡，并没有外壕和铁丝网。在这里驻守的日军是原田大队的一个中队，共40余人，另有20余名伪军。总攻击发动后，第16团以两个连抢渡小河，迅速占领了芦家庄，攻占了车站以北的敌碉堡，并立即由西向东攻击车站；另3个连也攻占了车站以南一里处的两个碉堡，由东向西朝车站攻击。两支部队夹击着朝车站猛攻猛打，手榴弹如雨点一样飞过去。车站日军不敌，放弃车站向西逃窜，被攻击芦家庄的部队迎头一阵痛击；日军连忙回头东窜，又被向西攻来的3个连劈面一阵狠揍。日军前后失措，混乱中退至几间破平房中顽抗。攻击部队连忙对其实施火攻。在烟火翻滚中，日军仓皇退守火药库。攻击部队复用炮火轰击，仓库中弹起火，日军就像无头苍蝇乱飞乱撞，最后窜入学校一间独立的课堂中固守，但仅坚持了一个多小时，最终被全歼。
第16团在芦家沟激战时，左翼纵队第25团1营则在马首车站与敌激战。攻打两侧碉堡的第1、3连经一个多小时的激战，分别攻克了两翼的4个碉堡，但攻击车站的第2连却遇到猛烈的火力阻击，车站日军凭借坚固的房屋，用几挺机枪封锁了房屋前的开阔地，与第2连对峙到拂晓。这种情况下，第1、3连同时加入战斗，在强大的火力支援下，第2连一个战士抱着炸药包冲了上去，炸塌了房屋一角。趁这机会，3个连同时发动冲锋，攻克了这个堡垒，毙敌24名。日军残部朝寿阳方向逃去。
同样的，第38团也攻克了上湖车站，并俘虏了日军军站站长。
拂晓时分，左翼纵队基本肃清了破袭路段内敌据点和车站。至此，周希汉立即下令转入破路，除留部分兵力担负警戒外，其余的部队和游击队、地方武装、民兵、民工、当地群众、铁路员工等一齐向铁路开战。这便是一种奇观：成千上万人的炸桥梁、毁隧道、拆铁轨、烧枕木、平路基、砍电杆、收电线，忙得不亦乐乎。但拆下来的铁轨需抬到远处埋藏起来，颇令人烦恼。后来，不知谁发现把枕木架成井字型，把铁轨放在上面焚烧，既能烧掉枕木，又能烧坏铁轨。于是，这一经验广泛推广，正太路上便是火焰飞腾，远远望去，如一条飞舞的火龙……