在10月11日，第115师进驻五台地区之初，毛泽东就电告聂荣臻，指示道：你们应着重一个月内建立武装与群众工作之基础，以便有充分力量反对日寇的进攻。聂荣臻部遵照中央军委的指示，在广灵、灵丘、蔚县、涞源、易县、阜平、曲阳、完县、满城、平山、唐县等广大地区，发动群众，建立政府机构，动员百姓参军抗日。到11月初，主力部队发展到7600人，此外还建立起多支抗日义勇军。

11月7日，根据中央军委的命令，成立了晋察冀军区，聂荣臻任司令员兼政委，下辖4个军分区，每个军分区成立一个主力支队，每个支队下辖3个大队。

晋察冀抗日根据地和人民武装的出现，引起了日本侵略者的不安。当日军在华北正面战场取得胜利后，就腾出手来开始向解放区进攻。

1937年11月下旬，侵华日军调集第5师团等部共2万余兵力，分成八路向刚刚成立的晋察冀军区发起全面进攻。从毛泽东指示聂荣臻建立武装与群众基础，到日军发动八路围攻，中间只隔了40多天时间。由于准备充分，壮大了武装力量，建立了很好的群众基础，所以，当日军发起八路围攻之时，聂荣臻部并没有慌乱，而是有条不紊地展开迎战。

11月24日，各路日军发起进攻。第一路由怀来、阳原、应县等地出发，向蔚县、广灵进攻。该路日军共4000余人。晋察冀军区第一分区部队，考虑到自己武器十分落后，不宜与敌正面交战，就主动放弃了县城，撤到乡村，依靠熟悉的地形和可靠的群众基础与敌进行游击战。日军1000余人占领了浑原县城，第一分区设伏，毙伤日军200余人。进占广灵的日军，遭到八路军游击队和百姓的四处打击，在广灵无法立足，不得不退回到蔚县。第一路进攻日军失败而归。

从保定、易县出发进犯涞源的3000日军，在途中连续遭受军区骑兵和游击队的袭击，伤亡不断。进占涞源后，其交通被切断，物资供应困难，日夜被袭扰。最后，丢下200多具尸体，离开涞源，撤回到保定。第二路进攻的日军被打退了。军区部队乘胜收复涞源、紫荆关等镇。

第三路日军进占了原平镇。晋察冀军区第二分区的部队，于12月14日对敌进行偷袭，一举歼灭日军100多人，使此路日军不敢向前。

第四分区部队，在野战军第344旅的配合下，分别在小寨、清城两次伏击日军，打死打伤日军300余人。6天之后，又在温塘伏击敌人得手，毙敌400余人。该路敌军伤亡较大，停止了向根据地的进攻。

在军分区部队抗击日军的过程中，解放区的民兵也组织起来，断绝日军交通，袭扰其驻地，搞得日军昼夜不宁。与此同时，冀中人民自卫军袭击了定县、新乐火车站，造成日军的火车停运。根据中央军委的指示，八路军第120师和第129师，分别在大同至太原和石家庄至太原间的铁路沿线，对日军军车进行袭击，又动员百姓拆除铁路，捣毁车站，掐断日军电话线路，给日军的进攻带来极大麻烦。一些孤立的日军据点也被八路军和民兵炸毁，使进攻根据地的日军遇到了前所未有的困难。

战斗进行到12月22日，除了进占浑源、行唐、平山的日军暂时停留在那里之外，其余各路日军都撤回到原来的驻地。日军对晋察冀军区的八路围攻以失败告终。

在这次反围攻的会战中，八路军与当地百姓紧密团结，充分显示了百姓的抗日热情和民族精神。在掌握现代武器的疯狂日军面前，中国百姓不怕死。从黄口小儿到古稀老人，都痛恨日本鬼子，因此，凡是有民族自尊的人，都加入到抗日斗争中来。正是在人民群众的支持下，八路军第115师建立根据地仅一个月左右的时间，就能击败日军的八路围攻。

在会战中，各路军民共毙伤日军2000余人，缴获了枪支350余支，使晋察冀军区的地盘发展到30余个县，部队发展到2万余人。这次会战的胜利，使八路军认识到山地游击战战术在抗日战争中的重要作用，为后来持续近8年的抗日游击战争和反击日军的围攻，提供了初步作战经验。