为此，八路军总部于10月19日下达了反“扫荡”作战命令，要求在日伪军对我根据地采取空前毁灭政策的形势下，太行、太岳、晋西北等各根据地党政军民要密切配合，实行空室清野，并分散部分主力部队与地方游击队和民兵广泛开展游击战争，保卫抗日根据地，坚决粉碎日伪军的“扫荡”。于是，我军不顾连续作战的疲劳，开始投入反击日军报复“扫荡”的作战。

　　太行地区的反“扫荡”作战。10月6日，驻沁县、襄垣日军独立混成第4旅团、第36师团各一部，在榆社、辽县的日军配合下，集中近万兵力，对太行地区榆社、辽县、武乡间的浊漳河两岸和清漳河东西地区进行连续“扫荡”，并把“扫荡”的重点放在进攻中共中央北方局、八路军总部和边区党政机关所在地麻田、王家峪、砖壁、左会等地区，企图寻歼第129师主力和我党政军首脑机关。为打破日军企图，10月14日，第129师新编第10旅一部在副旅长汪乃贵、政治委员赖际发的指挥下，在和（顺）辽（县）公路上的弓家沟设伏，歼敌1个运输队，击毁汽车40余辆。

　　29日，第385、第386旅和新编第10旅主力，以及决死队第1纵队2个团在八路军副总指挥彭德怀的直接指挥下，将日军第36师团1个大队包围于武乡以东关家垴高地。被围之敌抢修工事，固守待援。我军冒着敌机的轰炸扫射，迅速突破日军防御阵地，将其压缩于狭小地区，展开白刃格斗。战至31日拂晓，歼日军400余人。31日下午，日军约1500余人赶来增援，我军遂停止攻击，主动转移。

　　援敌扑空后，分路西进，合击砖壁、王家峪、东田等地区。为掩护总部机关转移，第129师令第386旅在旅长陈赓、政治委员王新亭的指挥下，分路阻击进犯之敌。各阻击部队，英勇顽强，战况空前激烈，在予敌以重创的同时，第386旅也遭受较大伤亡。战斗从11月3日上午进行到4日凌晨，完成了预定任务。11月5日，日军向白晋铁路线撤去。至14日，各路“扫荡”日军全部撤退。

　　太岳地区的反“扫荡”作战。11月17日，日军第36、第41师团、独立混成第9旅团各一部，共约7000人，开始分路对太岳地区进行“扫荡”作战，并重点合击中心区域沁源及其以北的郭道镇地区。太岳军区部队在第386旅旅长陈赓的统一指挥下将主力组成沁东、沁西2个支队，转战于日伪军合击圈内外的沁河两岸地区，寻机灵活打击日军。23日，日军合击扑空后，转向分散“清剿”，疯狂地烧杀抢掠我根据地人民。仅沁源一县被害群众即达5000余人，被抢被杀牲畜近万头。23日至27日，沁西支队第42、第59团于官滩、胡汉坪、马背地区，歼日军260余人；沁东支队第17、第57团于光凹、陈家沟、龙佛寺、吾元镇、南卫村、南里等地，予敌以重创；同时，我游击队、民兵也积极配合主力部队，广泛袭击敌人。在我军民紧密配合反击下，至12月5日，日军陆续撤出了太岳地区。

　　晋西北地区的反“扫荡”作战。10月下旬，日军独立混成第3、第16旅团各一部共4000余人，开始对晋西北第8军分区和第3军分区米峪镇地区进行“扫荡”。晋西北军民密切配合，广泛开展游击战和实行空室清野。同时，集中主力一部，寻机歼灭小股日伪军，或转到外线，断敌交通，袭敌据点。在晋西北地区军民多种形式的打击下，日伪军整日不得安宁。日伪军对我根据地实行烧光、杀光、抢光的“三光”政策，致使许多村庄被烧光，许多家庭被杀绝，许多妇女被强奸后又被杀害。在兴县，日伪军将我男女老幼200余人关进房内烧死。晋西北地区被惨杀群众达5000余人，被抢被杀牲畜达5000余头，被烧毁的房屋、窑洞达1.9万余间。根据地人民的生命财产，遭到空前浩劫。

　　但晋西北抗日军民并未屈服，他们同仇敌忾，积极开展各种形式的游击战，反击日伪军的报复“扫荡”。从12月14日至27日，晋西北地区军民连续作战近100次，迫使日伪军由疯狂“清剿”转为修路、建点，并在其控制的点线内，如兴县、临县、方山等地区，停止烧杀，改取怀柔政策，企图长期驻守，以割裂晋西北根据地。为打破日伪军企图，第120师分散部分主力部队，配合游击队和民兵，坚持区不离区、县不离县的斗争；同时，集中部分主力部队，破击交通线，袭击敌修路部队和运输队，并于日伪军撤退时歼灭其一部。晋西北军民在反“扫荡”中，共作战217次，歼日伪军2500余人，迫使日军于1941年1月下旬全部撤出了晋西北根据地。

　　我军在第三阶段作战中，坚持以灵活多变的战术，开展广泛的游击战争，经过艰苦奋战，取得了反日军报复“扫荡”作战的胜利，并最终结束了震惊中外的百团大战。