正当长江前线、西南后方皆被日军进攻、轰炸得一塌糊涂，日本人进而在盘算端重庆老窝之时，蒋介石突然收到第十八集团军总司令朱德、副总司令彭德怀打来的电报。蒋介石见电，顿时感到又惊又喜又疑，只见电文上白纸黑字写着：
委员长蒋钧鉴：（一）奉委座迭次电称：敌在太原集中两师团之兵力，渐增强晋南，准备进攻潼洛。又据职部各兵团迭次报称：关外之敌向关内增加，津浦及冀中、冀南敌陆续南移，向陇海东段集中，似有进攻潼洛犯我西北，断我西北国际交通线企图。（二）为打击敌人企图，配合晋南及华中各友军作战，保卫西北，打破敌消灭华北抗日根据地实行这一政策的毒计，职部决以组织百团兵力，对正太线进行大规模的进攻战。限期截断该线，彻底毁灭铁路交通及主要公路线，进行大规模的破坏，截断其交通，以彻底粉碎敌寇进犯西北之企图，争取整个战局之好转。百团大战已经历一月之准备，但恐电报机密不密，恐有泄漏，故未早报，特此申明。（三）百团大战除职部之一一五师主力、山东部队未编入战斗序列外，一二○师、晋察冀军区各部主力及决死队之请求参战部队，计105个团，这是华北抗战以来空前未有的积极主力向敌进攻。谨将大战兵力部署报告如下：（甲）正太线30个团。（乙）平汉线由卢沟桥至邯郸段15个团。（丙）同浦线大同至洪洞线12个团。（丁）津浦线由天津至德州段4个团。（戊）汾军公路6个团。（巳）白晋线6个团。（庚）北宁线2个团，（辛）平绥线2个团。（壬）泡石线4个团。（癸）德石路4个团，（子）邯郸线3个团，（丑）代县至蔚具线4个团。（寅）平大线北平至大同6个团。（卯）辽平线辽县平顺3个团，宁武、岢岚、静乐4个团，共105个团，并已分为三个集团，分由聂荣臻、贺龙、关向应、刘伯承、邓小平指挥之。大战已于8月20号20时开始，战斗序战胜利，已全部取得正大全线交通截断。大战正在发展中，战况请见战报。请分电各战区，各友军部队，抑制当前之敌，以利大战之进展。谨电奉闻。
职朱德、彭德怀。养。
蒋介石拿着那份电报，狐疑了老久，好半天回不过神来，不敢相信这事实。八路军何时发展壮大到这种程度？不可思议！
蒋介石和重庆统帅部的那帮子高参们，也感到些许欣慰，共产党与国民党毕竟是在共同对同一个敌人作战，当国民党长江方面战场遭到重大打击，陪都重庆正处在危急之时，突然来了这样一场百团大战，从背后狠狠捅了日本人一刀子，大大减轻了长江方面的压力。可见，共产党为挽救民族危亡，在抗日统一战线大旗下奋勇对敌作战确属言行一致。
蒋介石立即分电各战区注意当面日军行动，牵制其转兵北上。又令驻守于晋南中条山的卫立煌部队派出部队，破坏铁路公路，协同百团大战。
这以后，从8月22日至9月底，朱德、彭德怀每天平均向蒋介石打来三至四份百团大战的战报。每一份战报都详细陈述八路军或大部队，或小部队，向日军进攻；或取得大胜利，或取得小胜利。现摘录几份如下：
第八号要报，8月24日。
委员长蒋钧鉴：百团大战第八号要报。据职部刘师长伯承养电称：我陈赓旅陈正洪团，配合决死队马晚突向白晋路南关、沁县段攻击，战报如下：（一）陈团部晚乘大雨攻击漳源（沁县北），三层铁丝网冲破，当攻入街内，敌四百余退守民房顽抗，经我强攻歼敌过半。翌晨，正肃清残敌之际，敌复由沁县来援百余向我猛攻，恶战四小时之久，将敌击退，敌伤亡甚重，刻我军大肆破坏中，是役，共毙伤敌四百余，缴获正清查中。我副团长吴隆身先士卒，受伤，因流血过多于今晨逝世，以下伤亡官兵二百余名。陈团另一部，今晨攻击故城（武乡西北），经数次强攻未遂，敌施放大量毒气，我中毒官兵百余，伤亡五十余，敌死伤尤重。现漳源至石壁南段铁路完全破坏，不能通车。（二）决死队今以部分头攻击回松村牛寺（沁县北），因敌顽抗未奏效，然敌死伤甚多，并将沁县北至漳源铁路全破坏，收电线八百余斤。沁县襄垣段破坏部队结果待报。等情。谨闻。
职朱德、彭德怀叩敬
日军从中央统帅部到侵华日军上上下下，对八路军发动的这场突然袭击，尽皆大惊失色。日军中央陆军部竟怪异地惊呼：“……中共军竟于8月20日夜，在华北断然发动了号称‘百团大战’的大反攻，”“给予华北方面军以极大打击”。
日军华北方面军作战记录中记载：盘踞华北一带的共军，按照第十八集团军总司令朱德部署的所谓“百团大战”，于1940年8月20日夜，一齐向我交通线及生产地区（主要为矿山）进行奇袭。特别是在山西，其势更猛，在袭击石太路及同蒲路北段警备队时，并炸毁和破坏铁路、桥梁及通信设施，使井阱煤矿等处设备，遭到彻底破坏。此次袭击，完全出乎我军意料之外，损失甚大，需要长期和巨款才能恢复。
抗战以来，骄横无忌的日军从未把人民的抗战力量放在眼里，认为华北已是他们的占领区，是他们的天下了，是他们安全的“后院”。截止1940年10月，日军的兵力部署情况是：“如以当时华北兵力的密度为1，则武汉地区及长江下游三角地带为3.5，华南为3.9。”
百团大战的发动，打得整个华北的日军措手不及，惊呼“日军从未想到中共势力竟能扩大到如此程度”，“完全出乎日军意料”。中国派遣军总部急忙从武汉第十一军抽调第三十三师团，从上海地区第十三军抽调第十七师团，转属华北方面军，对“过去一直潜伏地下的八路军”进行反扑。
这是一次完全成功的大兵团奇袭作战，其成功的奥妙远远超过战果本身。
大战结束，蒋介石马上发出通电，“嘉奖”朱德、彭德怀和所有参战将士：“贵部窥此良机，断然出击，予敌甚大打击，特此嘉奖。”
重庆等地各界民众发起慰问参战部队的活动，历时达一周之久。
这样，自8月20日起到12月5日止，历时3个月又15天的百团大战，以我敌后军民的伟大胜利、敌人的惨重失败而告终。中共中央决定，战役停止，但为了迷惑敌人，对外保密。1940年12月22日，正在延安的毛泽东、朱德、王稼祥，致电彭德怀：“百团大战对外不要宣布结束。”
百团大战是抗日战争期间中国共产党在十分艰苦的条件下，独立发动的规模最大、参战兵力最多、持续时间最长、战果也最为辉煌的一次全面进攻性战役。在长达近三个半月的战役中，华北敌后战场数十万军民，与日本侵略者进行了浴血奋战，表现了中华民族不屈不挠的英雄气概，是中国共产党对夺取中国抗日战争最后胜利的最大贡献之一。
百团大战对日军的打击是沉重的，连日军自己也不得不承认“遭受共军‘百团攻势’的日军，从各地的兵团直到各军、方面军，均由痛苦的经验中取得了宝贵的教训，改变了对共产党的认识。”
百团大战胜利的消息，久久地震荡在当时我们多灾多难的国家上空，国内民气为之一振。1940年9月25日，朱德在《八路军军政杂志》刊文论述了百团大战的意义，指出它牵制了敌人进攻我大西北后方及进攻西南的企图，打破了敌人对付我抗日根据地的“囚笼政策”，严重地打击了敌人的“以战养战”的阴谋。
《大公报》1940年9月6日载文报道：自上月20日以来，我军在北方发动了大规模的运动战，平汉、正太、同蒲三路同时发动反攻，铁路到处被破坏……这个攻势，方在发动，已凌厉无前，收获佳果；而三军用命，人人奋勇，攻势正猛，战果必仍将扩大。北方的胜利方在开始，而在全局上的意义尤其重大。
百团大战的胜利在国际上也引起了震动。苏联《红星报》评论说：“华北之中国军队，目前正在山西省进行主动性之作战。第八路军正展开大规模之攻势。游击战在山东省与北平附近亦正趋于激化，中国人……始终表现高度之民气，对自身力量具有信念。中国人民为自由独立、争取最后胜利而战，依然表现最大之决心而不能动摇。”美国著名记者史沫特莱写道：“经过长时间的筹划，朱德和彭德怀在1940年8月初发布最后命令，对日军展开百团大战。……整个华北地区，从晋北山区到东海岸，从南面的黄河到北面的长城，都成了战场。战斗日以继夜，一连厮杀了五个月。一百团打击了敌人的整个经济、交通线和封锁网。战斗是炽烈而无情的。敌人所有的煤矿、电厂、铁路、桥梁、公路车辆和电讯都遭到破坏。”
