继7月22日发布《战役预备命令》后，8月8日，朱德、彭德怀和左权向聂荣臻、贺龙、关向应、刘伯承、邓小平下达了《战役行动命令》，作出了战役部署：
1.聂集团（即晋察冀军区）主力约10个团破坏平定（平定县不含）东至石家庄段正太路线，破坏重点应在娘子关平定段。对北宁线、德州以北之津蒲线、德石路、沧石路、沧保路，特别是元氏以北至卢沟桥段平汉线，应同时分派足够部队破坏袭击之，阻击可能向正太线增援之敌，相机收复某些据点，对西北两面之敌以适当兵力监视之，另以有力部队向孟县南北积极活动，相机收复某些据点。
2.刘邓集团以主力八个团附总部炮兵团一个营，破击平定（含）至榆次段正太路。破坏重点，阳泉张净镇段。对元氏以南至安阳段平汉线、德石路、邯大路、榆次至临汾段、同蒲线平遥至壶关段、白晋城、临屯公路，应同时分派足够部队破袭，阻敌向正太路增援，相机收复某些据点。对辽平公路应派有力部队积极活动，相机收复某些沿线据点。另以一个团之主力位于潞城至襄垣间地区。
3.贺关集团破袭平遥以北同蒲线及汾离公路。破坏同蒲线部署，应以重兵置于阳曲南北，阻敌向正太路线增援。该集团原拟一个团在阳曲以南配合作战，兵力较小，应加强之。如汾河可能徒涉时，该集团阳曲以南配合作战部队，应力求以约两个团之兵力进至榆次南北地区，直接加入刘邓集团作战，并归刘邓直接指挥之。对晋西北腹地内各个敌之据点与交通路，应分派部队积极破袭，相机收复若干据点。
4.总部特务团主力集结于下良、西营地区。
《战役行动命令》还规定：“上列各集团及总部特务团统由总部直接指挥之。”同时，“限于八月二十号开始战斗”。
1940年秋，日本华北方面军拥有9个师团、12个独立混成旅团、1个骑兵集团，另配属大量伪军，是中国关内战场上最大的重兵集团。但是，与其所担负的任务相比，日本华北方面军的兵力难称雄厚，尤其在对付河北、山西八路军方面其兵力可以说是“捉襟见肘”：第一军的第三十六、四十一、三十七这三个师团长期被第一战区卫立煌部牵制在晋南；驻汾阳的独立混成第十六旅团主要用于对付第二战区阎锡山部和第八战区第九十军李文部；在归绥、包头的骑兵集团与伪蒙军主力则必须时刻提防着第八战区傅作义部的进攻，动弹不得；由于孙桐萱的第三集团军、何柱国的骑二军、于学忠的苏鲁战区，以及八路军第一一五师、山东纵队和第四纵队等部的牵制，日军在山东的第十二军、豫东的第三十五师团和骑兵第四旅团、伪军张岚峰部等均无法抽调。因此，华北日军可用于防御八路军主力进攻的兵力仅2个师团又9个独立混成旅团。加之，这年五六月间日本中国派遣军从第九和第四独立混成旅团抽调6个步兵大队和1个山炮大队参加由第十一军组织的宜昌作战。日军对我军的防线可谓漏洞百出，在正太线如此重要的交通线上将第八、第九和第四三个残缺不全的独立混成旅团（仅3600余人）摆成首尾不能相顾的一字长蛇阵，给了八路军可乘之机。
踞守华北后方的是日军华北方面军。正太线从河北正定到山西太原，全长230公里，是日军在华北的重要战略运输线，也是截断我晋冀鲁豫和晋察冀两大战区的重要封锁线。在这条铁路上，分布着天险娘子关、阳泉煤矿、井陉煤矿等重要关隘和煤炭基地，如果将这条运输线摧毁，日军的战备物资供应将发生极大的困难。
按照八路军总部的战役部署，第一二九师在石拐镇召开军事会议。此前，师部指定的参加正太路破击战的部队，均已秘密在指定地点集结，各项准备工作亦大致就绪。作战会议上，刘伯承传达了总部的命令，根据对破击地段内敌片山独立混成第四旅团兵力、布防等情况的分析，提出了战役纲领。接着邓小平也强调了贯彻总部命令、打好正太路破击战的重大意义。他说：这一丈必须打好，坚决粉碎敌人的“囚笼政策”和经济封锁，巩固和扩大抗日根据地，锻炼和提高八路军的战斗力。特别重要的是，这一战役打好了，不仅对推动我国抗战，提高有志人士坚持抗战的信心有重大意义，而且对于国际反法西斯斗争也会有重大影响。
会议最后制定了分三路破击正太线平定至榆次段的作战计划：左翼队以三八六旅十六团、决死一纵队二十五团、三十七团组成，占领寿阳、榆次间各据点，破坏该段铁路；右翼队以新十旅二十八团、三十团组成，占领阳泉、寿阳间据点，破坏该段铁路；以三八五旅七六九团、十四团、三八六旅七七二团组成中央纵队，开进平定以西的苇池村、天华池一带，以一部主要兵力控制阳泉西南之狮垴山，牵制阳泉之敌并阻击由平辽公路北援的敌人，保证师主力作战的顺利进行。同时，为保证侧翼安全，以新十旅二十九团、三八五旅十三团及平（定）、辽（县）、榆（社）的地方武装破击平辽、榆辽公路，配合中央纵队阻击该线之敌；另以二十八个团和地方部队分别在白晋、同蒲、平汉诸线进行广泛的破袭战，以策应正太作战。
一二○师师部收到总部《战役行动命令》，经研究后，作出如下部署：三五八旅破击忻县以北的同蒲线和忻（县）静（乐）公路，并协同独一旅七一五团相机逼退岚县及东村敌据点，收复岚县、寨子、普明；独二旅破击宁武至朔县间同蒲线；暂一师破击神池至五寨间公路，并保障独二旅的侧后安全及后方交通；独一旅二团以两个营破坏峪口至圪洞公路并打击沿线之敌，一个营进至三交打击寺圪塔、石门焉之敌。决死第二、第四纵队和工卫旅、师特务团破击太（原）汾（阳）公路和汾（阳）离（石）公路；三五九旅七一七团东渡黄河，出击离石、军渡间。
晋察冀军区部队在司令员兼政治委员聂荣臻的指挥下，集中八个步兵团、一个骑兵团又两个骑兵营、三个炮兵连、一个工兵连、五个游击支队，分别组成中央纵队、左纵队、右纵队、钳制部队、总预备队，破击正太路至阳泉段及平汉铁路北平卢沟桥至元氏段，津蒲铁路至德州段、北宁铁路至山海关段、沧（州）石（家庄）公路等。
8月中旬，彭德怀和左权逐一检查了各部队战前的各项准备工作；野战政治部主任罗瑞卿、副主任陆定一，也对战役政治保证计划的落实情况作了检查。一切都基本上是按照总部的部署进行的，敌情也没有大的变化。于是，8月17日，总部发出了左权签发的电令：所有参战部队“一律在8月20日20时开始攻击”。已经秘密进入华北各主要交通线附近的八路军指战员，紧握钢枪，屏气息声，都在等待着统一发起攻击时间的到来！
