1945年8月10日至10月12日，國共兩黨談判還沒有結束，8月中旬，國民黨軍第2戰區司令長官司閻錫山依據其統帥部關于特別注意接收上黨地區的指示，以第8集團軍副總司令兼第19軍軍長史澤波率第19軍暫編第37師、第68師，第61軍第69師，挺進第2、第6縱隊（相當于師）等部1。
7萬人，乘晉冀魯豫軍區部隊正在向日偽軍大舉進攻之際，進占長治、長子、壺關、屯留、襄垣等城，隨后即修筑工事，加強守備。第19軍軍部率暫編第37師、第68師，第69師及1個山炮營1。1萬人駐守長治，其余部隊駐守于襄垣、長子、屯留、潞城、壺關等城，企圖以此為基地侵占整個晉東南地區，并配合國民黨軍第1、第11戰區部隊沿正太和平漢鐵路向北平（今北京）、石家莊等地推進。
從8月26日起，中共中央軍委先后指示晉冀魯豫軍區：首先集中兵力殲滅長治地區之敵，收復上黨地區，消除解放區的腹心之患，爾后轉兵于平漢線，阻擊國民黨軍北進。同時還強調指出，敵占諸城堡堅壘密，反擊須做好充分準備，切不可草率，進攻時宜選擇一兩城，各個擊破。
晉冀魯豫軍區司令員劉伯承、政治委員***根據中共中央軍委的上述指示，決心抓住侵入上黨的史澤生部孤軍深入、守備分散的弱點，集中軍區3個縱隊及地方武裝3。1萬人，在5萬民兵的配合下，首先奪取長治外圍各城，誘殲出援之敵，爾后會攻長治，并相機殲滅可能由太原、平遙出援的國民黨軍。
9月10日，戰役正式發起，太行縱隊首先向屯留進攻，長治史澤生部曾兩次派兵出援，均被擔任阻援的太岳、冀南縱隊擊退。12日，太行縱隊攻克屯留。17日，冀南縱隊攻占潞城，截斷了長治與太原、平遙的聯系。19日，太岳縱隊和太行軍區的部隊相繼攻克長子、壺關。
至此，晉冀魯豫軍區部隊連克5城，殲敵7000余人，并孤立了長治守軍。
20日，晉冀魯豫軍區部隊開始圍攻長治。24日，獲悉太原出援的國民黨軍3個師已抵達子洪鎮以南地區，遂以一部繼續圍困長治，以主力迅速北上，求殲援軍于運動之中。10月2日，晉冀魯豫軍區打援部隊將敵援軍包圍于榆林、老爺嶺、關上村、磨盤腦地區。
這時，我軍獲知被圍之敵并非3個師7000人，而是由敵第7集團軍副總司令彭毓斌率領的8個師、2個炮兵團共2萬余人。為了造成對敵優勢，晉冀魯豫軍區立即決定抽調圍困長治的冀南縱隊北上參與打援。經5、6兩日的激戰，除約2000人逃回沁縣外，敵援軍全部被殲，彭毓斌被擊斃。
國民黨援軍被殲后，長治守軍被迫于8日突圍。至12日，其全部被殲，第19軍軍長史澤波被俘。這次戰役是抗戰勝利后解放區部隊反擊國民黨軍進攻所進行的第一個較大規模的殲滅戰，共殲滅閻錫山部3．5萬多人，鞏固了晉冀魯豫解放區的后方，加強了中共中央在重慶談判中的地位。
10月12日，在山西省上黨地區（今長治市境內），我晉冀魯豫軍區太行、太岳、冀南3個野戰縱隊在廣大人民群眾的緊密配合下，殲滅國民黨第19軍、第23軍、第83軍等約3.5萬人，其中生俘3.1萬人，繳獲山炮24門、機槍2000余挺，各種槍支1.6萬余支，先后殲滅的閻錫山部隊占其總兵力的1/3，對閻部造成沉重打擊。該戰役不僅解除了國民黨軍對晉冀魯豫解放區的直接威脅，而且有力配合了重慶談判，實現了“邊打邊談、以打促談”的預期目的。劉伯承在回顧上黨戰役時說：“這個勝利，使我們背后有了靠頭，又有了子彈，為很快轉入平漢線作戰創造了條件。”從此，晉冀魯豫地區日益穩固，成為后來奪取全國勝利的重要基地，并為后來設立華北局和定都北京奠定初步條件。
任務理解準確、決心擬定科學。1945年8月，閻錫山部在投降日偽軍接應下進占太原和同蒲鐵路沿線城鎮后，又派史澤波率部進占長治、襄垣、長子和壺關等地，企圖打通白晉鐵路，占領整個晉東南，并配合國民黨軍第1、第11戰區部隊沿正太、平漢鐵路向石家莊、北平等地推進。
為保衛抗戰勝利果實，保證解放區安全，中央軍委命令晉冀魯豫軍區堅決殲滅進入上黨地區之敵，除去心腹之患，以便之后將主力轉戰于平漢線。晉冀魯豫軍區指揮員劉伯承、***遵照軍委指示，牢牢把握“戰略服從于政略，軍事服務于政治”的原則，從戰略全局、作戰方針和戰場態勢3個方面準確理解戰役任務。在戰略全局上，晉冀魯豫軍區堅決貫徹中央指示，以軍事斗爭支援重慶談判，以提高我方在談判中的地位，為盡一切可能實現國內和平，實現和平、民主建國的目標創造條件。同時，以堅決的軍事斗爭粉碎國民黨反動派的軍事挑釁和軍事冒險，保衛抗戰勝利果實，保衛解放區。在作戰方針和戰場態勢上，針對史部孤軍深入、守備分散的特點，晉冀魯豫軍區指揮員定下戰役決心，以所屬部隊及地方武裝，在解放區人民群眾支援下，采取“圍城必闕”等戰法，逐步收復長治。
戰前準備充分、士氣鼓舞高效。劉伯承根據中央指示和情況發展，于8月10日電令各部立即抽調力量，組建野戰兵團，充分做好戰前準備。
首先，部隊采取“邊打、邊建、邊練”的方法，將游擊兵團編成太行、冀南和太岳3個野戰縱隊，在編制、訓練、指揮等方面進行調整，重塑了部隊組織結構，從而保證部隊作戰方式由游擊戰向運動戰的轉變，提高了部隊戰斗力。
其次，號召部隊為保衛抗戰勝利果實而戰，打出“打好上黨戰役，支援重慶談判”的口號。***提出“上黨戰役打得越好，殲滅敵人越徹底，毛主席就越安全，毛主席在談判桌上就越有力量”的號召，極大提升了部隊士氣。
最后，積極組織開展支前工作，各級地方**動員5萬名民兵支前或參戰，積極組織兵站和運輸隊，趕制食品、彈藥和衣物等。充分的戰前準備，保證了前線供給，為取得戰役勝利奠定了堅實基礎。
戰法靈活多變、指揮科學果斷。在奪取敵外圍各據點后，9月20日，劉、鄧決心由長治城東、南、西三面同時攻城，虛留生路于北關，誘使史澤波部北竄，以在野戰中殲滅之。在長治遭我軍包圍的情況下，閻錫山急令彭毓斌率部增援，以解史澤波之圍。28日，劉、鄧在判明彭部企圖后，決定采取“圍點打援”的戰法，在判明敵援軍兵力與我相當，但裝備優于我時，力避“啃硬骨頭”，只留下地方部隊圍城，抽調主力部隊北上打援。10月5日，太岳縱隊果斷出擊，將彭部各個殲滅。被圍的史澤波見援軍無望，于8日趁夜從長治突圍。劉、鄧急令太岳縱隊追擊，經數小時激戰，除少數先頭部隊西逃外，其余全部被殲，史澤波被俘，上黨戰役勝利結束。
戰法是作戰的精髓，靈活多變則是戰法的靈魂。一套戰法不可能“天下通吃”，只有“因敵而變、快敵而變”，才能取得勝利。根據敵軍來援的情況，晉冀魯豫軍區及時調整戰法，將作戰方式和重點調整為“圍點打援”，始終將戰役主動權掌握在自己手中，達到決策先于敵、指揮優于敵、行動快于敵的效果。
巧用隱真示假、有效破敵詭計。我軍在決定抽調主力部隊北上打援時，為不使長治守軍發現我主力部隊前去打援，在撤離當天，組織圍城部隊白天抬云梯進行攻城演練，晚上點燈吹號襲擾敵人，營造我主力部隊并未撤走的假象，主力部隊則于28日夜悄悄撤離長治城。
在打援部隊進攻受阻，劉、鄧抽調冀南縱隊支援時，為震懾來援敵軍，特意令冀南縱隊白天開進，故意暴露，以動搖援敵軍心。彭毓斌意識到增援計劃破產后，在下令輜重和指揮機關向北撤退的同時，為迷惑我軍，下令大部隊向南佯動，被我太岳縱隊迅速識破，難逃被殲之命運。該戰役中，晉冀魯豫軍區指揮員根據當面之敵的不同情況，戰役發展的不同階段，采取隱真示假的戰法，以多樣靈活的手段，隱蔽我軍之意圖，干擾迷惑敵軍，成功保證了戰役勝利。
上黨戰役后閻錫山晉綏軍從9月初到10月底，將近2個月的時間里，晉綏軍損失了11個師，3萬多兵力。其中，第19軍屬于晉綏軍的主力。在這次戰役中，第19軍幾乎被全殲。晉綏軍一共只有10萬余兵力，此戰損失了將近三分之一的兵力。
除了3萬多兵力之外，還損失了24門火炮、2000多挺輕重機槍、16000多把步槍和手槍，以及大量的彈藥和后勤物資。言而總之，在這次戰役中，晉綏軍元氣大傷。依靠自己的力量已經無力守衛山西省，因此請求外部的力量進駐山西。我們仔細看看這一次戰役，晉綏軍依靠兵力優勢希望先發制人，但被對手后發制人擊敗，自身前線的部隊幾乎全軍覆沒。
隨著上黨戰役的結束，華北地區的力量格局出現了新的變化。根據地的面積進一步擴大，力量更加壯大，還組建了大量的民兵部隊。在雙方正在重要談判的大環境下，上黨戰役的勝利，增加了談判桌上的底氣和籌碼。其實，經歷了上黨戰役之后，晉綏軍集團的控制區，已經開始以太原、大同等城市為主，在廣大的農村地區，晉綏軍集團的控制力很差。尤其是華北局勢已定，北方軍接受和平改編，東野大批部隊調入關外，晉綏軍無力阻擋歷史的車輪。。