八路軍總部設在武鄉縣王裕村，五萬分之一的軍用地圖，整整覆蓋了左權住處的一面牆壁。左權每天晚上端著蠟燭面對著地圖，細心安排，捕捉每一個戰機，他把整個身心都沉浸到這個偉大戰役中去了。小到部隊的一次具體戰鬥，大到上下左右一個戰役的配合，他都久久醞釀細細思考，然後又精細地在地圖上標明我軍的路線和消滅敵人的箭標。在那些日子裡，左權每天都要工作十五個小時以上，有時甚至徹夜不眠，夜以繼日地工作。他縝密的作戰計劃，保障了戰役的順利進行。戰後，連日軍大本營也不得不承認：「此次華軍出動情形，實有精密之組織。」

8月20日20時，百團大戰正式打響。八路軍在總部統一指揮下，以正太鐵路為重點，向華北地區的各主要鐵路、公路交通線展開總破襲戰。由於各根據地軍民吃盡了「囚籠政策」的苦頭，大家踴躍參戰，捷報頻傳，實際參戰的主力部隊和地方武裝，達到一百零五個團共二十餘萬人。

戰役打響後，左權經常出現在戰鬥最激烈的地方。

關家堖戰鬥是第三階段的關鍵戰鬥，左權協助彭德懷指揮八路軍分四路將日軍第三十六師團主力圍困在關家堖地區。總部指揮所設在距前沿陣地不到一裡路的山坳草棚裡。有時子彈就在草棚上面飛過，敵機向草棚投擲大量炸彈，一次竟然將草棚炸掉了半邊。

警衛員懇求道：「實在是太危險，炸彈只要再偏兩米，總部就報銷了。指揮部後撤吧！」

左權也幫助做工作：「彭總，他們說的有道理。我們的性命不要緊，要是總部被端了，戰役會受大的影響。你還是往後退一點吧。」

在將彭德懷轉移到安全地帶後，警衛員又來做左權的工作。還隻開了頭，就被左權打斷：「傳我命令，指揮所的全體同志推進至前沿陣地。戰士離不開我們，他們在浴血苦戰啊！」

在左權的直接指揮下，八路軍集中三八五旅、五八六旅、新十旅以及敢死隊一縱隊、總部特務團等部，在關家堖全殲日軍三十六師團片山旅團岡崎大隊以下八千人。

至此，歷時三個半月的百團大戰勝利結束。

在這三個半月的戰鬥中，八路軍參戰的各部隊，先後進行了大小戰鬥一千八百多次，斃傷日寇二萬多人、偽軍五千餘人，俘日軍二百八十餘人、偽軍一萬八千餘人，破壞敵鐵路四百七十公裡、公路一千五百公裡，拔除日軍據點二千九百多個，打擊了敵人的「囚籠政策」，鼓舞和動員了敵後軍民和全國人民的抗日精神，提高了中國**和八路軍的地位，對全國抗日戰爭形勢的發展起了良好的作用。這是中國抗戰史上一次規模空前的戰鬥，全國許多報刊紛紛發表文章、評論，給予了很高的讚譽。日軍華北方面軍司令部在報告中寫道：「此次襲擊，完全出乎我軍意料之外，損失巨大，需要長時間和巨款方能恢復。」

當時擔任國民黨第一戰區司令長官的衛立煌，給朱德、彭德懷打來電報：貴部發動百團大戰，不惟予日寇以致命打擊，且予友軍以精神上之鼓舞。

**也給予很高嘉獎：「百團大戰實在振奮人心。」

左權與彭德懷並肩戰鬥，艱難與共，彼此既加深了了解，也升華了革命情誼。

彭德懷知道左權每天十分勞累，全憑抽煙提神解乏，有時抽起來一支接一支，不熄火地打「連發」，消耗很多。一次，他從友人處得了一條蘇聯煙，準備送給左權。由於工作繁忙，他一時沒有送去，就用紙在外面加了「掩護」放起來。這事被總部的一個工作人員「偵察」到了，悄悄地扒開「偽裝」，摸走了好幾支。

彭德懷發現後，搖搖頭，趕緊拿著煙送給左權，指著那包被拿空了的煙盒子說：「我不抽煙，卻不曉得被哪個打頭抽稅了。再不送來，恐怕只有形式沒得內容了。」

左權接過煙，讓總部的工作人員開「洋葷」，見人發一支。

彭德懷有些生氣地說：「我曉得你是桿煙槍，才給你送『子彈』。看來我這個運輸隊長算白當了！」

大家都笑了起來，說：「彭老總太偏心。」

彭老總不光在生活上對左權「偏心」，政治上也是關心備至。

左權因「托派」問題背著沉重的政治「包袱」，不斷向中央申訴。1941年12月，他在太行前線給中央寫信彙報事情的原委，請中央討論答覆。彭德懷當日以他個人的名義致電中央說：

幾年來，對於左權同志的處分，雖在事實上早已撤銷了，但在黨的黨規上從未作出明確結論，致使左權對此事時存苦悶。根據我對左權同志的了解，不論在中央蘇區及長征時期，他對黨的路線是忠實的，對於工作是積極的，負責的，這些年來在政治上已有較高的進步。過去的問題應該清理一下，建議中央撤銷對他的處分，使其安心。

報告遞上去了幾個月，仍無動靜，彭德懷深感不安，又於1942年春直接寫信給**、張聞天，再次呼籲：「左權同志對黨忠誠，富有才幹，實為我黨好同志，望中央解除對他的懷疑，給予完全的信任。」

然而，就在這封信發出不久，左權英勇犧牲在戰場上。

這年2月，日寇對太行山的「掃蕩」失敗後，便在太行山周圍加緊推行「蠶食」政策，派遣漢奸四處活動，建立特務情報組織和反動據點，收集情報，加緊掠奪，妄圖襲擊八路軍指揮機關。經過兩個月的準備，日寇華北指揮部下達了「晉冀豫邊區C號肅正作戰計劃」，調集三萬餘人的兵力，並以空軍配合，再次撲向太行山抗日根據地。陰險的日本鬼子還抽調兩個聯隊組成「特別挺進隊」，全部著便裝，化裝成農民或八路軍戰士，隨軍搞偷襲作戰。