正定到太原的铁路，全长二百四十九千米，横贯太行山脉，日军侵略不可缺少的炼铁用煤基地阳泉和井陉煤矿都在这条线路上。多田骏将八个混成旅团派驻铁路沿线，分守五十个据点，还派装甲车长期巡逻。多田骏自吹这是一条“钢铁封锁线”。
8月20日晚，聂荣臻指挥十九个团、五个游击支队和三个独立营组成的左、中、右纵队，对正太路全线准时发起攻击。
右纵队主攻天险娘子关，这是正太铁路线河北与山西两省交界的咽喉。日军在1937年侵占娘子关以后，在国民党构筑的旧有工事上加修了四个大堡垒。右纵队潜入娘子关村，先解决了村里的伪军，然后强攻据险顽抗的日军。
日军火力密集，据守有利地形，攻关部队架起的云梯被炮火打断，只好搭人梯攀登悬崖，正面攻击一时受挫。这时，娘子关侧后迂回的部队已接近日军堡垒群，从翼侧向展开猛攻。正面攻关部队乘势爆破日军堡垒。黎明时分，八路军歼灭了日军大部，红旗插上了娘子关天险。
中央纵队重点进攻井陉煤矿，与矿区工人里外配合，切断了矿区的电源，靠着夜幕掩护，向守敌展开猛攻。通过一夜激战，黎明时将日军全部歼灭。战士们从战火中救出两个日本小女孩，姐姐五六岁，名叫美穗子，妹妹还在襁褓中。她们的父亲是井陉火车站的日本人副站长，经抢救无效死亡，她们的母亲死于炮火中。