为扩大战果，八路军总部发出第二阶段作战命令，要求各部队继续破坏日军交通线，摧毁深入抗日根据地内的日伪军据点，具体部署是：

第120师主力对同蒲铁路北段宁武至轩岗段进行彻底破坏，再次切断同蒲铁路北段的交通；

晋察冀军区主力破击涞（源）灵（丘）公路，并夺取涞源、灵丘两县城；

第129师重点破击榆（社）辽（县）公路，收复榆社、辽县两县城。

晋察冀军区以8个团、3个游击支队、2个独立营组成左、右翼队和预备队，于9月22日发起涞（源）灵（丘）战役，对该地区的日军独立混成第2旅团、第26师团及伪军各一部发动进攻。

右翼队重点攻击涞源县城，由于缺乏攻坚器材，日军顽强抵抗，经通宵激战，八路军未能得手，23日，转为攻击涞源外围日军据点，至26日，相继攻占三甲村、东团堡等10余处据点。

28日，由张家口增援的日军3000余人进抵涞源城，右翼队遂转移兵力于灵丘、浑源方向，协同左翼队先后攻占了南坡头、抢风岭、青磁窑等日军据点。

10月9日，又有大同日军1000余人来援，晋察冀军区遂决定结束涞灵战役，此役共歼灭日伪军1000余人。

第129师以第386旅和决死队第1纵队两个团组成左翼队，以第385旅（附第32团）组成右翼队，于9月23日发起榆（社）辽（县）战役，向守备榆辽公路的日军独立混成第9旅团展开攻击，至30日，左翼队经过艰苦奋战，攻占榆社县城，歼灭日军400余人。

右翼攻占榆辽公路上的小岭底、石匣等日军据点后，准备协同新编第10旅进攻辽县时，和顺、武乡的日军同时出援，第129师遂决定停止攻城，转移兵力于红崖头、官地垴地区伏击由武乡出援的日军。

第385旅在向伏击地域开进途中，与600余日军援兵的先头部队遭遇，双方随即展开激战，已进入伏击地域的第386旅和决死队第1纵队共4个团从敌后尾侧翼同时发起攻击，经15小时激战，日军虽被消灭过半，但余部依托有利地形进行顽抗，双方形成对峙。

同时，由和顺出援的日军突破新编第10旅狼牙山阻击部队阵地，在这种情况下，第129师遂撤出战斗，榆社复为日军占领。