1940年7月22日，八路军总部向晋察冀军区、第129师、第120师下达了《战役预备命令》，同时上报中共中央军委。
《命令》指出：“由于国际形势的变动，我西南国际交通路被截断，国内困难增加……我军应以积极的行动在华北战场上开展较大胜利的战斗，破坏敌人进攻西北计划，创立显著的战绩，影响全国的抗战局势，兴奋抗战的军民，争取时局好转，这是目前严重的政治任务。”“为打击敌之‘囚笼政策’，打破进犯西安之企图，争取华北战局更有利的发展，决定趁目前青纱帐与雨季时节，敌对晋察冀、晋西北及晋东南扫荡较为缓和，正太沿线较为空虚的有利时机，大举破击正太路。”
战役目的，以彻底破坏正太路若干要隘，消灭部分敌人，收复若干重要关隘据点，较长时期的截断该线交通，并乘胜扩大，拔除该线南北地区若干据点，开展该路沿线两侧工作，基本是截断该线交通为目的。同时，对其他重要铁路，特别是平汉、同蒲铁路，应组织有计划的总破袭，以配合正太路破袭战的行动。
8月8日，八路军总部下达了《战役行动命令》和《关于百团大战破坏战术之一般指示》，对作战兵力做出了具体的部署。战役统一由八路军总部指挥，发起时间为8月20日。中心任务是破坏日军在华北所占领的主要交通线，重点是正太铁路。因为切断该路，即可以使日军在山西的一切运输补给失去保障，对八路军来说，有利于将太行、晋察冀边区这两大区域基本连成一片。
《命令》规定，直接参加正太线作战的总兵力应不少于22个团，要求晋察冀军区派出10个团，第129师派出8个团，第120师派出4至6个团，总部炮兵团大部、工兵一部也参战。在其他铁路配合作战的兵力，由各区自行安排。预备命令要求八路军参战部队于8月10日前完成战役的各项准备。
命令下达后，晋察冀军区、第129师、第120师立即进行战前准备、侦察敌情、训练部队等。华北各抗日根据地政府也动员与组织群众，做支前准备。
确定的战役部署及其作战地域如下：晋察冀军区以主力10个团破坏正太铁路阳泉至石家庄段，重点破坏娘子关、平定段；对边区周围的北宁、津浦、德石、沧石、平汉等铁路，应同时分派足够部队破袭之，阻击可能向正太铁路增援之敌。第129师以主力8个团，附总部炮兵团1个营，破击阳泉至榆次段，重点破坏阳泉、张净段；对根据地周围的平汉、德石、同蒲、白晋铁路及邯大、临屯公路，应同时分派足够部队破袭，对平辽公路应派有力部队积极活动。第120师应破袭平遥以北同蒲铁路及汾离公路，破袭同蒲铁路部署应以重兵置于阳曲南北，阻敌向正太路增援，并力求以约2个团进至榆次南北地区，配合第129师作战。对晋西北腹地内各个敌据点与交通线，应分派部队积极破袭。总部特务团集结于下良、西营地区待命。
根据八路军总部的命令，晋察冀军区命令军区副参谋长唐延杰率有关侦察人员前往正太路附近侦察。同时对作战部队进行了具体部署：主攻部队杨成武纵队、郭（天民）刘（道生）纵队于8月17日以前集中到温塘、洪子店以西滹沱河西岸地区；熊伯涛纵队集结于井陉、获鹿、元氏地区。以津南自卫军、冀中2个步兵连、2个机枪连为总预备队。
8月15日下午，军区在吊儿村召开主攻方面（正太路东段）作战会议，确定抽调8个步兵团、1个骑兵团又2个骑兵营、3个炮兵连、1个工兵连和5个游击支队，组成3支主力纵队（即右纵队、中央纵队、左纵队）、1支钳制部队和总预备队，担任正太铁路作战任务。
同时，对平汉铁路高碑店至石家庄段、北宁铁路平津段、津浦铁路泊头镇至唐官屯段也作了破袭部署，要求必须切断上述日军交通线，保证主攻方面作战的顺利进行。此外，还部署第2、第5、第8军分区部队，分别在同蒲铁路北段、雁北地区及津浦铁路沿线进行牵制活动。
第129师指定8个团参战，要求参战部队做好一切准备。具体部署为：陈赓指挥第386旅之第772团、16团及决死1纵队2个团；陈锡联、谢富治指挥第385旅之第769团、13团及新编第10旅之第28团、30团，共8个团为破击队，破袭平定至寿阳段，并打击出击或增援的日军。以新编第10旅之第29团在平（定）昔（阳）线，第385旅之第14团在辽（县）榆（社）线，第386旅之第17团及决死1纵队1个团在白晋线，决死1纵队2个团在同蒲线霍县至赵城段，另以2个团在临屯公路，破坏交通，配合作战。
8月18日，第129师在和顺县石拐镇师前进指挥所召集作战会议，传达了《关于正太战役的作战命令》，其内容是：抽调10个团的兵力，分为左翼、右翼破击队、平和支队、总预备队（即中央纵队），破袭正太铁路。此外，抽调部队分布在平汉、白晋、同蒲铁路沿线，广泛破路袭敌，策应正太战役。
第120师决定抽调20个团，重点破击太原以北同蒲铁路和忻静、汾离公路，配合正太线作战。具体部署是：第358旅破击忻县以北的同蒲铁路和忻静公路，独立第2旅破击宁武至朔县间的同蒲铁路，新军暂1师破击神池至五寨间的公路，独立第1旅围困岚县、东村及离石以北之敌据点，决死第2纵队、第4纵队和工卫旅及师特务团破击太汾和汾离公路。
