第三阶段，自10月6日起至12月5日止。日军调集大批兵力对根据地进行大规模的报复性“扫荡”，八路军和游击队展开了英勇的反“扫荡”作战。10月6日，日伪军首先对前指和第一二九师师部所在地的太行根据地进行“扫荡”。武安敌军800余人进犯阳邑，辽县、武乡、潞城等地敌军3000余人进犯榆社、辽县、武乡之间浊漳河两岸地区。

　　第一二九师部队先后在弓家沟伏击重创日军，敌被迫于17日分头撤退。从10月20日开始日伪军近万人对根据地进行第二次“扫荡”，重点攻击中共北方局、八路军指挥部、边区党政机关所在地的麻田、左会及清漳河东西地区。第一二九师主力包围进犯左会之敌的一个大队，经过激战，虽歼灭大部敌人，自己也付出了很大代价，敌援军赶到，遂撤出战斗。从11月1日起，敌7000余人又对榆社、辽县地区进行第三次“扫荡”。第一二九师以一部作掩护，主力适时转移，敌扑空后分路退回。11月17日敌7000余人“扫荡”太岳区，企图合击沁源。

　　第一二九师主力跳出合围，转移至沁河两岸；12月上旬敌伪军分路退回。晋东南根据地历时40天的反“扫荡”作战即告结束。在晋察冀，日伪军从11月9日开始对北岳区“扫荡”，集结兵力达1.2万余人，先由北向南，再由东向西，分路平行推进，21日侵占阜平、王快等地。晋察冀军区主力部队和游击队在各地寻找战机，不断打击敌人，迫使日伪军于25日前后撤退。1941年1月1日，晋察冀军区部队收复阜平，4日收复王快，反“扫荡”作战结束。在晋西北，1940年10月下旬至11月上旬，根据地军民粉碎了日伪军4000余人的“扫荡”。

　　百团大战历时3个半月，进行大小战斗1824次，毙伤日伪军2.57万余人，俘虏日伪军1600余人，伪军反正1800余人，缴获各种炮53门，各种枪5800余支及大量弹药和物资，破坏铁路470余公里、公路1500余公里和车站、桥梁213座，隧洞260多处，摧毁敌人碉堡和据点293个。八路军伤亡1.7万余人，尤其在第二阶段的几次攻坚战损失较大。这次战役给敌伪以很大打击，振奋了全国人民争取抗战胜利的信心，锻炼了人民军队，提高了中国共产党和八路军在人民中的威望，对坚持抗战、遏制妥协投降的暗流、争取时局好转起了积极作用。百团大战后，日本帝国主义惊呼“对华北应有再认识”，并由华中增调兵力来华北，对华北敌后抗日根据地实行“更大规模的报复作战”。