正当陈赓的386旅准备开始攻打榆社县城，聂荣臻指挥的晋察冀军区也对涞源和灵丘发起了攻势。
涞源处于晋察冀三省的交界处，是日军晋察冀根据地的前锋，战略地位十分重要，从1937年开始，八路军和日军就在涞源反复发起争夺战，县城也经过了多次易手。1939年在黄土岭被击毙的阿部规秀就是从来源出发的。此时，驻守涞灵地区的是日军独立混成第2旅团和26师团各一部，外加军军总兵力达到2500人，其中涞源县城有500人，属于一个大型的据点。外围还有东团堡、白石口等大型据点，以及大量小型据点，对晋察冀军区有严重的威胁。所以涞灵战役就是要拔除这些深入根据地的据点。
聂荣臻经过分析后，决定首先将主力攻打涞源以及附近据点，接着在攻打灵丘，以第1、第2、第3、第20、第25五个团和2个游击支队外加军分区特务营和骑兵营共1.5万人，由杨成武指挥夺取涞源县城和附近据点。以第6、第26团以及察绥游击队5000人，阻击日军的援兵，并打击灵丘方向的日军。同时冀中军区吕正操积极配合打击冀中日军，牵制冀中日军兵力使其无法增援。
聂帅在晋察冀
9月22日，战斗开始。晚上10时，八路军对涞源县城发起了攻击，经过一整夜的战斗，八路军第1团拿下了县城东、西、南三面，剩下的日军退到城北防守，并得到了金家井日军的增援，为防止遭到日军偷袭，第1团于黎明前暂时退出涞源县城，只留下一只小分队监视城里敌人，主力先拿下城外的日军据点。
同时，八路军也对县城外围的据点三甲村也发起猛烈攻击，为了迅速夺下该据点，主攻的第2团得到了杨成武支援的一门山炮，战士们把炮台上山后，对准了日军的东山碉堡，但由于从敌人手中缴获的，瞄准镜已经被破坏，而且战士们对操作火炮不够熟练，因此打了两发炮弹都没有命中日军碉堡。不过好在把碉堡了里的敌人吓的逃跑了，因为面对山炮，这种碉堡炮楼直接就是活靶子。2团随即发起冲锋，很快将这批敌人消灭，攻占了东山。之后又和来支援的1团1营包围了三甲村最后的据点，战士们用铡刀劈开了铁丝网，用跳板跃过了日军的外壕，经过通宵激战，八路军成功攻下了三甲村，歼敌80人，俘虏70人。第二天，日军出动200多人在飞机大炮的掩护下向三甲村反扑，2团顽强抵抗，打退了日军多次反扑，日军只能灰溜溜的退回涞源，三甲村战斗的胜利让当地村民欢呼雀跃，当天村子就有180多名青年加入八路军。
战斗最激烈的是东团堡，这里是日军交通现场重要的中转站，也是封锁晋察冀根据地的一个重要支撑点。这里的守军是日军军官教导大队，这些人都是战斗经验丰富的准尉和军曹，而且充满了所谓的武士道精神，十分顽固，并且装备也十分精良，防御工事也修筑的很巧妙。为了拿下东团堡，攻击任务交给了晋察冀军区的精锐，邱蔚的老3团。
开国少将邱薇
在攻击开始时，3团的战士们抵达了东团宝附近的馒头山，很快就剪断了日军外围的铁丝网，并迅速干掉了2个哨兵。之后又摸到碉堡附近，将手榴弹从射口投入碉堡，瞬间火光冲天，八路军很快拿下了馒头山。东团堡的敌人被爆炸惊醒，随后与3团的战士们展开了激烈战斗，这批鬼子战斗力很强，每个碉堡都与八路军反复争夺，八路军伤亡很大，但依然再继续推进。经过一整夜的血战，八路军拿下了7个碉堡，只剩下最后一个大碉堡了，日军飞机企图给他们空投补给。但因为制导不对，投下的弹药和罐头都扔到八路军阵地了。又经过一个上午的艰苦战斗，最后一个碉堡的鬼子只有27个人了，3团也只剩下不到一个营的兵力了，双方展开了对峙。
这时，侦查员想起了碉堡那还有一个姓金的朝鲜翻译，前段时间他们侦查的时候被金翻译发现，但金翻译没有指出他们，反倒悄悄的告诉他们这里有鬼子密探赶快离开，因此侦查员认为此人还有劝降的余地。邱蔚立马让侦查员联系金翻译，让他提供碉堡那的情况。很快金翻译就偷偷跑出碉堡，来到邱蔚面前，告诉他残存的日军准备点火自焚。还没跟他说完，碉堡里就冒出了阵阵浓烟，残存的27个日军在领头的中佐带领下，唱着歌全部投火自焚，等八路军战士冲进碉堡时，日军已全部烧成黑炭。这个作恶多端、臭名昭著的教导大队终于付出了代价。
其他的据点也都进行的激烈的交火，双方在据点和村庄中反复争夺，八路军一部攻占了北头据点，据点内的敌人大部分被歼灭，残敌逃回了涞源县城。白石口据点也被八路军攻占，据点那剩余的日军逃回插箭岭，刘家嘴、王喜洞、中庄、桃花堡、白乐站、吉家庄等据点也相继被攻占。灵丘方向八路军也攻克了多个据点，歼敌200多人。到10月10日，涞灵战役结束，八路军以伤亡1400多人的代价歼灭日伪军1000余人。
