正當陳賡的386旅準備開始攻打榆社縣城，聶榮臻指揮的晉察冀軍區也對淶源和靈丘發起了攻勢。
淶源處於晉察冀三省的交界處，是日軍晉察冀根據地的前鋒，戰略地位十分重要，從1937年開始，八路軍和日軍就在淶源反復發起爭奪戰，縣城也經過了多次易手。1939年在黃土嶺被擊斃的阿部規秀就是從來源出發的。此時，駐守淶靈地區的是日軍獨立混成第2旅團和26師團各一部，外加軍軍總兵力達到2500人，其中淶源縣城有500人，屬於一個大型的據點。外圍還有東團堡、白石口等大型據點，以及大量小型據點，對晉察冀軍區有嚴重的威脅。所以淶靈戰役就是要拔除這些深入根據地的據點。
聶榮臻經過分析後，決定首先將主力攻打淶源以及附近據點，接著在攻打靈丘，以第1、第2、第3、第20、第25五個團和2個遊擊支隊外加軍分區特務營和騎兵營共1.5萬人，由楊成武指揮奪取淶源縣城和附近據點。以第6、第26團以及察綏遊擊隊5000人，阻擊日軍的援兵，並打擊靈丘方向的日軍。同時冀中軍區呂正操積極配合打擊冀中日軍，牽制冀中日軍兵力使其無法增援。
聶帥在晉察冀
9月22日，戰鬥開始。晚上10時，八路軍對淶源縣城發起了攻擊，經過一整夜的戰鬥，八路軍第1團拿下了縣城東、西、南三面，剩下的日軍退到城北防守，並得到了金家井日軍的增援，為防止遭到日軍偷襲，第1團於黎明前暫時結束淶源縣城，只留下一只小分隊監視城裏敵人，主力先拿下城外的日軍據點。
同時，八路軍也對縣城外圍的據點三甲村也發起猛烈攻擊，為了迅速奪下該據點，主攻的第2團得到了楊成武支援的一門山炮，戰士們把炮台上山後，對準了日軍的東山碉堡，但由於從敵人手中繳獲的，瞄準鏡已經被破壞，而且戰士們對操作火炮不夠熟練，因此打了兩發炮彈都沒有命中日軍碉堡。不過好在把碉堡了裏的敵人嚇的逃跑了，因為面對山炮，這種碉堡炮樓直接就是活靶子。2團隨即發起沖鋒，很快將這批敵人消滅，攻占了東山。之後又和來支援的1團1營包圍了三甲村最後的據點，戰士們用鍘刀劈開了鐵絲網，用彈板躍過了日軍的外壕，經過通宵激戰，八路軍成功攻下了三甲村，殲敵80人，俘虜70人。第二天，日軍出動200多人在飛機大炮的掩護下向三甲村反撲，2團頑強抵抗，打退了日軍多次反撲，日軍只能灰溜溜的退回淶源，三甲村戰鬥的勝利讓當地村民歡呼雀躍，當天村子就有180多名青年加入八路軍。
戰鬥最激烈的是東團堡，這裏是日軍交通現場重要的中轉站，也是封鎖晉察冀根據地的一個重要支撐點。這裏的守軍是日軍軍官教導大隊，這些人都是戰鬥經驗豐富的準尉和軍曹，而且充滿了所謂的武士道精神，十分頑固，並且裝備也十分精良，防禦工事也修築的很巧妙。為了拿下東團堡，攻擊任務交給了晉察冀軍區的精銳，邱蔚的老3團。
開國少將邱薇
在攻擊開始時，3團的戰士們抵達了東團寶附近的饅頭山，很快就剪斷了日軍外圍的鐵絲網，並迅速幹掉了2個哨兵。之後又摸到碉堡附近，將手榴彈從射口投入碉堡，瞬間火光沖天，八路軍很快拿下了饅頭山。東團堡的敵人被爆炸驚醒，隨後與3團的戰士們展開了激烈戰鬥，這批鬼子戰鬥力很強，每個碉堡都與八路軍反復爭奪，八路軍傷亡很大，但依然再繼續推進。經過一整夜的血戰，八路軍拿下了7個碉堡，只剩下最後一個大碉堡了，日軍飛機企圖給他們空投補給。但因為制導不對，投下的彈藥和罐頭都扔到八路軍陣地了。又經過一個上午的艱苦戰鬥，最後一個碉堡的鬼子只有27個人了，3團也只剩下不到一個營的兵力了，雙方展開了對峙。
這時，偵查員想起了碉堡那還有一個姓金的北韓轉譯，前段時間他們偵查的時候被金轉譯發現，但金轉譯沒有指出他們，反倒悄悄的告訴他們這裏有鬼子密探趕快離開，因此偵查員認為此人還有勸降的余地。邱蔚立馬讓偵查員聯系金轉譯，讓他提供碉堡那的情況。很快金轉譯就偷偷跑出碉堡，來到邱蔚面前，告訴他殘存的日軍準備點火自焚。還沒跟他說完，碉堡裏就冒出了陣陣濃煙，殘存的27個日軍在領頭的中佐帶領下，唱著歌全部投火自焚，等八路軍戰士沖進碉堡時，日軍已全部燒成黑炭。這個作惡多端、臭名昭著的教導大隊終於付出了代價。
其他的據點也都進行的激烈的交火，雙方在據點和村莊中反復爭奪，八路軍一部攻占了北頭據點，據點內的敵人大部份被殲滅，殘敵逃回了淶源縣城。白石口據點也被八路軍攻占，據點那剩余的日軍逃回插箭嶺，劉家嘴、王喜洞、中莊、桃花堡、白樂站、吉家莊等據點也相繼被攻占。靈丘方向八路軍也攻克了多個據點，殲敵200多人。到10月10日，淶靈戰役結束，八路軍以傷亡1400多人的代價殲滅日偽軍1000余人。
