负责正太路守备的日军110师团，“20日夜接到独立混成第八旅团的电话报告，得知石门附近情况，但以后电话不通，情况不明”。21日该师团长饭沼守(中将)方“得悉石太路全线遭敌袭击”。23日军方派兵“前往井陉地区增援”。
日军在山西的最高军事当局、驻太原的第一军司令部，“21日从旁系电话中收到第一次报告说：‘石太路到处正遭八路军袭击……’但以后再无更详细报告，有线、无线电话完全不通，立即陷入情况不明状况”。奉命前往第四旅团联络的参谋朝枝繁春述说：“军直属部队中当时手下因无可用之兵力，乃由军司令部临时抽出包括卫兵在内的共约40人，组成混成小队……3日后至寿阳，经一周时间始达阳泉”。
日本华北方面军则在其“作战记录”中记载说：“盘踞华北一带的共军，根据十八集团军总司令部朱德的部署，发动了所谓百团大战，于昭和15年8月20日夜同时奇袭我交通线及生产基地(主要是矿山)。尤其在山西，其势甚猛。”“这次奇袭，完全出乎我军意料外，损失重大，恢复建设需要相当时间与大量资金。”
日军从华北方面军司令部到军、师、旅、团，据点守备都受到强烈震动。
百团大战第一阶段的破袭战完成了预定任务，这次破袭巧妙而又大胆地利用敌人以小国凌大国，兵力不足的弱点。日本华北方面军在其1940年制定的华北《肃正建设实施纲要》说明中，虽已看到自身在军事上的“长期分散配置，使各部队很容易陷于被动守势”，但由于兵力不足，惧怕“过早地将分散配置集中，治安将会重新恶化”。针对敌人的分散配置、集中使用，彭德怀以同时发动、分散出击，使其陷于首尾不能相顾的境地。敌人不得不承认，八路军取得了“奇袭的成功”。
在第一阶段战役胜利的形势下，8月31日，彭德怀向各兵团发出扩大战果、彻底毁灭正太路和同蒲路的忻县--朔县段，使3个根据地(晋察冀、晋西北、晋冀豫)联成一片的建议。
这个建议低估了敌人对交通线的修复能力，低估了敌人利用现代化交通工具迅速增援兵力的能力。在这个建议发出的第三日，即9月3日，敌援兵约2万余人抵达正太路东西两端，企图夹击八路军。此前，小批援兵已陆续进入正太路作战，日军驻太原之飞行大队连续出动，与其地面部队联络，猛烈轰炸八路军阵地。彭德怀、左权看到“扩大战果已不可能”，遂放弃以上建议，命令出击兵团即日转移兵力，准备完成第二步计划。