面对猖獗进犯的日本侵略军，晋察冀军区司令员聂荣臻心里清楚，军区新组建的部队，除了一部分老的骨干力量外，大多数还没有作战经验，形势是相当严峻的。
11月23日，反围攻作战开始的前一天，聂荣臻在给“毛朱彭任周”及各军分区领导人的电文中，对敌情作了如下判断：
因敌深入我境，后方联络线延长，八路军不断地袭扰，晋察冀义军纷起，声势颇大，故敌有肃清联络线、巩固后路之必要。因此敌人可能向我晋察冀区开始进攻，在东面首先占满（城）、完（县）、唐（县）、曲（阳）、行（唐）、灵（寿）、平（山）等县，逐我进山区，离平汉路。西面有进攻五台、盂县，分为据点之企图。
根据这一判断，基于日军对地形生疏、有不少伪军参战、不敢贸然深入我腹地的弱点，聂荣臻决心把有基础、有经验的部队部署在机动位置上，相机打击敌人，以大量新组建的游击武装对敌人进行伏击、侧击、夜袭。其具体部署是：以第1军分区主力于广（灵）、灵（丘）、涞（源）之间，第2军分区主力于五台地区，第4军分区主力于上社镇、洪子店地区，第3军分区主力于阜平地区隐蔽集结，待机歼敌。
11月23日，晋察冀军区发出反围攻作战指示，要求各军分区加强侦察，迅速完成作战部署和各项准备工作，发动与组织群众实行坚壁清野和封锁消息。
11月24日，由平汉铁路沿线出动之敌第14师团分两路向西进犯。
一路日军3000余人，由保定和易县出动，在飞机掩护下向涞源进犯。其中由易县西犯之敌于12月2日进占大龙华。该敌由于沿途遭游击队袭扰，已十分疲惫，疏于戒备。据此情况，晋察冀军区第1支队，以一部于当日夜袭击大龙华，一举突入镇内，与敌展开巷战，激战一夜，歼敌200余人，残敌100余人逃回易县；由保定西犯之敌，被八路军骑兵营阻止于满城附近。
一路敌军1000余人，由定县、新乐向曲阳、行唐进犯。该敌于高门屯和豆家庄遭第4支队的有力阻击，于是企图进占曲阳之敌退回保定。由新乐出动之敌在进占行唐后，也停滞不前。至此，由平汉铁路西犯之敌遂停止向晋察冀边区腹地进犯。
由同蒲铁路东犯之敌关东军察哈尔派遣兵团一部1400余人，由应县出动，在占领浑源后继续向广灵进犯。11月27日，八路军第1支队主力于浑源、广灵间之乱岭关的道路两侧高地设伏。敌军进入伏击区时，突遭猛攻。经数小时的激战，第1支队歼敌200余人，随即主动撤出战斗。敌进占广灵县城后未敢冒进。
由平绥铁路南犯之敌关东军察哈尔派遣兵团3400余人，由怀来、天镇分两路南犯，并于12月4日占领蔚县后，分别向广灵、涞源进犯。5日，八路军第1支队主力一部占领蔚县南之北口村，截击由蔚县南犯之敌。当敌进入该地谷口时，第1支队居高临下，以猛烈火力袭击敌人，并乘敌混乱之际发起冲击，经半日激战，歼敌200余人，迫敌退守蔚县。
此次反围攻作战是关系八路军能不能在敌后站住脚跟的第一场严峻考验，因此毛泽东极为重视。
聂荣臻回忆说：“党中央和毛泽东同志一直关心着我们，注视着我们。因为，这是我们党在敌后创立的第一个抗日根据地。”
在晋察冀根据地反围攻的日子里，毛泽东常常日夜关注战局的发展，并通宵达旦地研究敌情，思考对策。11月27日，他致电八路军总部朱德、任弼时，提出反围攻要进行三方面的准备工作：加强新部队的政治教育和党的工作；加强新部队必要的军事和游击战争的训练；加强动员地方民众的工作。
12月5日，在战局发展的关键时刻，毛泽东和回延安参加政治局会议的彭德怀又致电朱德、任弼时并转晋察冀军区，提出：
对进攻晋察冀边之敌，除上月29日电及你们来电外，请注意以下几点：
1、避免正面抵抗，袭击敌之后尾部队。
2、在敌之远近后方活动，使敌处于我包围之中。
3、同蒲、正太路必须积极活动，予以有力的配合。
4、注意在敌后方破坏伪组织、伪军。
5、加紧瓦解敌军工作。
6、在确实有利条件下，集结适当力量给敌以部分歼灭和有力打击，增加敌恐怖与困难是必要的，但须详细审慎。
同时，毛泽东还电令第120师和第129师分别在同蒲路、正太路积极活动，配合晋察冀根据地的反围攻斗争。
遵照上述指示，晋察冀军区部队积极在敌远近后方活动，抓住有利战机打击敌人。
1937年12月14日，第2支队乘代县、原平、忻口之敌第109师团一部1000余人进占繁峙后方空虚之际，夜袭原平镇，一举攻克该镇，歼敌100余人，残敌分向代县、忻口逃窜。此时进占繁峙之敌迅速回援，第2支队随即转移。
12月中旬，正太铁路之敌第5、第109师团各一部共4000人，分别向平山、盂县进犯，在八路军第3支队与群众武装的连续打击下，十分疲惫。聂荣臻及时抓住这一有利战机，令第115师344旅由五台西南之东冶镇进至平山以西之洪子店地区，协同第3支队伺机打击进犯平山之敌。
15日，日军第109师团一部1500余人，由寿阳、平定出动合击盂县。第3支队集中主力于盂县东南地区隐蔽待机，当由平定出动之敌进至清城镇时，该支队乘其立足未稳，突然发起攻击，激战至黄昏，歼敌200余人，尔后主动撤出战斗。同日，八路军第344旅以687团一部，于小寨地区设伏，击退自井陉北犯之敌，歼其100余人。
21日，井陉、平山之敌同时分途向八路军驻房山和东西回舍之部队袭击。当日黄昏，井陉之敌进到南北马冢，平山之敌进到温塘以东之娄汁岗后，既未进攻也未撤退，而在此两地驻了下来。根据情况判断，“敌人明日（22日）有进攻温塘之可能，得手后再会合向洪子店前进，把我军驱逐到洪子店西北地区”。第344旅与曾支队决心选择有利地形，伏击较弱的左路敌人而消灭它。
为了消灭入侵之敌，各参战部队均按时到达指定位置，隐蔽于西板山东南山地。21日9时，温塘东面枪声四起，南北马冢之敌全部前进，敌先头部队通过新庄时，八路军右翼部队即分多路向敌猛烈突击，通过新庄之敌即抢占沟西山地，与第5支队对峙，敌人主力被八路军击溃后压入沟中，一部占领新庄村落和以西南山地。八路军指战员英勇作战，反复冲锋，将山头上的敌人击溃。敌人将机枪、炮身均丢在沟中，大部敌人占领房屋和水沟继续顽抗。这时，敌人已经被八路军全部包围，但是不肯交枪，并以小部向平山方向退走，战斗成对峙局面。
此时，温塘东面亦发生了激烈战斗，晋察冀军区在该地区的其他部队与敌人接触1小时后即撤到温塘以西地区与敌对峙。13时左右，平山方向七八百敌人，火炮数门火速前来增援。援敌约二三百人，在炮火掩护下首先对温塘以西八路军阵地发起猛攻。
八路军冒着敌人的炮火，沉着应战，敌人攻击未果。敌人另一大部经侯家庄、台头增援新庄被围之敌。
344旅指挥所发现敌人援兵已到，而沟内被围之敌又不能迅速解决，遂命令突击部队以小部监视敌人，主力撤回西板山附近，到黄昏时再解决沟中之敌，并拾取敌人抛弃在沟中的机枪、大炮和行李、弹药等物品。
敌人增援部队接近新庄，其炮兵即向新庄以南八路军阵地进行连续轰击，沟中之敌亦乘机进行反攻，虽然敌人的反攻并不猛烈，但由于八路军部队中大多为新战士，而且干部、战士均无对付敌人炮战的经验，当敌人的炮弹打来时，到处乱跑，部队的伤亡较大，致使陈团长、刘营长牺牲在敌人的炮火中。
由于战局之发展对我不利，到16时，八路军各攻击部队接到撤退的命令，敌人亦未敢轻举妄动，战斗遂告结束。经过此战，歼敌400余人，余敌退回平山，未敢复出。