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。