1940年10月1日，冀西军区下属六个团的部队，同时由19团、60团跨过娘娘庙山一线，向西进攻，31团、61团跨过北水泉一线，向西北方向进攻，30团、62团进攻来源周边日军。
战斗到上午十一点，阳原县被光复，阳原周边据点全部被拔除。
终于接近一点的时候，19团、60团的部队，光复浑源县。
战斗却还没有结束，31团、61团在光复阳泉县后，继续向北进攻，至10月2日上午10点许，天镇县光复，下午2点许，阳高县光复。
下午接近三点的时候，19团攻克应县，下午五点多的时候，61团光复北阴县。
同样是在这天的下午三点多的时候，30团和62团，在周边八路军部队的协助下，全歼涞源地区的独立混成第2旅团的三千日军。
然后在10月3日晚上七点多钟的时候，除了在各县留下的一部分维持县城秩序以及审判汉奸维持会的部队外，19团、60团的接近部队，由南至北，距离大同已不足十公里。
而31团和61团的共计接近五千部队，从北至南，也是已经距离大同不到十公里的路程了。
大同，岌岌可危了。
而八路军短时间内光复多处县城的消息，让华北方面军司令部十分震怒，立刻下达了一号作战命令，不惜一切代价，夺回这些被八路军占据的县城，最关键的是，解除大同的危机。
一时间，整个冀西北和晋东北地区，日军重兵云集。
日军以27师团、35师团、36师团、41师团为核心，配属独立混成第1、第3、第7、第9旅团。
共计八万日军部队，分别从乌兰察布、北平、保定、张家口、朔州等地，向着大同方向进行支援。