继续破击日军交通线，重点攻占交通线两侧和深入根据地内的日军据点。为扩大战果，一九四零年九月十六日，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。部署是：第1一二零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；第一二九师重点破击榆（社）辽（县）公路，收复榆社、 辽县（今 左权）两县城。
晋察冀军区以八个团、三个游击支队、二个独立营组成左、右翼队和预备队，于一九四零年九月二十二日发起涞（源）灵（丘）战役，对该地区的日军独立混成第二旅和第二十六师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，未能得手。二十三日，转为攻击涞源外围日军据点。至二十六日，相继攻占 三甲村、东团堡等十余处据点。二十八日，由 张家口增援的日军三千余人进抵涞源城，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。十月九日，又有大同日军一千余人来援。晋察冀军区遂决定结束涞灵战役。此役共歼灭日伪军一千余人。