百团大战第二阶段结束后，第120师预料日军必来报复，积极准备反“扫荡”。
10月30日，该师奉命组建晋西北军区，11月7日在兴县李家湾举行了军区成立大会。晋西北军区辖直属军分区及第2、第3、第4、第8、雁北等6个军分区。
1940年12月14日起，日军各路相继开始对晋西北地区进行全面“扫荡”。
敌5000余人从太汾、汾离公路据点出动，北犯第8军分区米峪镇地区；敌4000余人从离石、柳林出动，进犯临县地区；敌6000余人19日从岚县、奇岚等据点出动，进攻兴县和保德以南地区。
至12月23日，日军侵占了晋西北除保德、河曲两县以外的全部县城、大部集镇和黄河渡口，开始有计划地实行“三光”政策。
日军和汉奸伪装八路军，诱杀群众；派出基干支队分进合击，反复“扫荡”，寻歼党政军领导机关；重点破坏八路军后方机关和设施。
据不完全统计，此次“扫荡”中，群众被惨杀者达5000余人，仅兴县地区被抢、被烧的粮食即达15万斤，仅第4军分区被抢、被杀牲畜即达5000余头，被烧毁的房屋、窑洞达1.9万多间。
晋西北军区部队在反“扫荡”初期，主要以部分兵力配合地方部队和游击队，开展广泛的游击战，袭扰、钳制进攻之敌，破袭敌之交通运输，掩护群众转移。
主力部队避开敌之锋芒，转到外线，寻机袭击日军。
第4军分区部队先后袭击了方山、峪口、信义等据点，并多次袭击临县和安叶村。
师属教导团等部曾袭入兴县东关，又在兴县以南伏击敌“清剿”部队。第358旅和工卫旅，分别对“扫荡”米峪镇之敌进行多次袭击和阻击。
独1旅和决死第4纵队，在大武以北不断袭击敌据点，破坏公路，断敌交通。
为粉碎日军企图，12月27日，晋西北军区指示各分区动员一切力量，打破日军修路筑点计划；命令第358旅负责打击岚县至大蛇头、普明至赤坚岭修路之敌，独1旅负责破击大武至临县公路，决死第4纵队破击大武至方山公路。
据此，独1旅第2团组织群众2000余人2次破击大武、三交间公路，使临县之敌不得不绕道方山与离石联系；离石游击队带领群众两次破击离石、军渡间公路，毁公路30余里；第2、第35团各一部，连续袭击汾阳至柳林公路线上的信义、上白霜、张家山等据点。
在内线坚持的各团抽调干部组成便衣工作团与地方工作团一起，破坏敌新建据点周围的“维持会”。
第715团一部与临县游击队一起袭入临县县城，捕捉了南关“维持会”代表。
决死第2纵队第4团深入到晋中平川，在下曲镇诱伏文水之敌，歼日伪军100余人；工卫旅在太汾公路连续进行了破击战。
独2旅第714团、暂1师第36团和雁北支队各一部，曾袭入神池、阳方口等据点，并3次袭入义井镇；第714团在朔县利民堡西南解家岭击溃了企图伏击该团的日伪军并歼其一部。
第358旅第716团奉命由娄烦以西出发，赶到兴县界河口附近，与在第7团相配合，打击“扫荡”之敌与袭击驻止之敌，使敌下敢出扰。
从1941年1月2日起，日伪军开始分途撤退，到1月24日全部退回原据点。晋西北军区冬季反“扫荡”，历时40天，歼敌2500余人，破坏公路125公里，桥梁23座，在战役中被敌侵占的所有城镇全部收复百团大战历时108天，进行大小战斗1824次，击毙击伤日军20645人、伪军5155人，俘日军281人、伪军18407人，日军投诚47人，伪军反正1845人；破坏铁路474公里、公路1500多公里，炸毁桥梁、隧洞和火车站260多处，摧毁大量敌碉堡和据点；缴获各种炮53门，各种枪5900余支和一批军用物资。
百团大战沉重打击了敌华北方面军的“囚笼政策”，对日军震动极大。
经过这一战役，日军内部进行了深刻的反省，总结经验教训，对情报机构进行了空前的改革和加强，进一步明确了在华北作战以中共军队为重点的指导思想。
日军华北方面军司令部把此役称为挖心战，每年8月20日，作为挖心战纪念日。
百团大战推迟了日本的南进步伐，但由于战役规模和持续时间，都超过了部队和根据地补给能力的限度，部队消耗过大，在日军报复“扫荡”时，已相当疲劳，因此对日军打击不力，使根据地遭到严重的摧残和破坏，加重了以后的困难。
在有些地区，如太岳、平西抗日根据地，开始出现缩小现象。
正因如此，中共党内关于应否发动百团大战发生争议。在华北座谈会上，百团大战问题被提出讨论，并受到尖锐指责。
百团大战以华北的胜利影响全国战局，制止国民党内存在的妥协危机；同时百团大战的发动加强国民党团结的目的。
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