1940年9月23日夜，攻坚作战开始。24日，左翼队攻克沿壁、王景，右翼队攻克铺上、小岭底。至25日，榆社具城也被攻克，小岭底至榆社一线只剩管头据点之敌仍在顽抗。同时，平辽支队积极活动，攻占辽县以北寒王镇；沁北支队积极破路，频繁出击，使武乡、白晋路日军受到钳制。
26日，第129师令右翼队以一部继续围攻管头之敌，主力和左翼队东移，乘胜收复辽县并消灭可能援辽之敌。27日拂晓，右翼队进攻辽县以西石匣，当夜将其占领。左翼队28日进抵马厩附近，准备当晚进攻辽县。这时，和顺、武乡日军分别向辽县、管头增援。八路军总部命令停止进攻辽县，以一部钳制和顺南下之敌，主力转移至红崖头、关帝垴地区，准备歼灭武乡东援之敌。第129师遵令转移兵力，同时猛攻管头，在29日24时将其攻克。
1940年30日9时左右，左翼队赶到红崖头以南山地，右翼队尚未到达预伏地区。武乡日军600余人正越过预伏地区，其先头与右翼队遭遇。左翼队迅速向日军的后尾、侧翼同时展开攻击，日军在飞机8架掩护下，占领高地顽抗。战斗持续了两天一夜，双方伤亡惨重。
1940年10月1日黄昏，辽县西援日军500余人突破右翼队阻击，逼近左翼队指挥所附近，左翼队奉命撤出战斗。同日，八路军总部鉴于辽县、武乡日军会合，阳泉南援日军1000余人已抵辽县以北的寒王镇，第129师相当疲劳，伤亡较大，判断增援辽、榆地区的日军可能趁势“扫荡”太北地区，乃决定结束榆辽战役。
破击同蒲铁路
1940年9月12日，第120师下达了同蒲铁路北段行动计划，决心从9月20日开始破击同蒲铁路宁武、忻县段（重点在宁武、大牛店之间）。1940年9月14日，第358旅从根据地娄烦以西地区出发，北越静乐、岚县公路，16日到达马家沟集结。该旅以第3支队（辖第7、第8团、特务营）袭击头马营。
1940年9月18日24时，第3支队以特务营向头马营发起攻击，以第7、第8团打援。战斗至翌日晨，宁化堡日军40余人增援头马营，行至山寨村被打援部队包围歼灭。20日，羊圈岭日军约200余人前出至里鄢村企图反扑。该旅第716团于当日14时向里鄢村之敌发起攻击，次日拂晓，该敌惟恐被歼，逃回羊圈岭。
独1旅于9月16日夜东渡汾河。18日得悉，羊圈岭日军400余人袭击雁北支队扑空后返回上庄，乃决心围歼该敌。遂于18日13时向该敌发起攻击，激战至19日凌晨，旅主力撤出战斗执行破击任务，残敌向羊圈岭退去。这次战斗，独1旅伤亡105人，毙伤日军约200人。各部队击破阻扰之敌后，即投入对同蒲铁路的破击作战。
1940年9月22日晚，第358旅第4团（附师属工兵连）、师特务团前出到段家岭、轩岗间破坏同蒲铁路数段。与此同时，第2团袭击奇村，第715团袭击忻口、楼板寨。23晚，第2团破坏忻口以南铁路，第715团破坏忻口以北铁路。25日夜，第715团再次破坏了大牛店、轩岗段铁路。独2旅也于朔县、宁武间破坏铁路数段。第120师经过6天的破击作战，使同蒲铁路交通再次中断。
