戰役背景
1940年8月20日夜，華北各地的八路軍（除一一五師和山東縱隊外）按照八路軍總部的統一部署，在華北敵後向日軍控制的各主要交通線發起了規模空前的破襲戰，即後來震驚中外的百團大戰。至1940年10月初，八路軍參戰各部基本上完成了總部賦予的各項任務，取得了百團大戰前兩個階段作戰的偉大勝利。不過，由於八路軍連續進行進攻作戰，參戰各部都已相當疲勞，加之日軍增援過多，八路軍暫時難以繼續擴大戰果。根據戰場形勢的這一變化，八路軍總部決定結束百團大戰第二階段的作戰，要求各部隊在結束作戰行動後適當集結主力進行休整，補充兵員，鞏固部隊，總結經驗教訓，做好部隊的教育工作，為下一階段的作戰做好準備。
自戰役打響一個半月來，在八路軍連續大規模破襲和攻擊下，華北日軍損失慘重。而心氣正旺，一直想在華北有一番作為的日軍華北方面軍司令官多田駿接連“出醜”，不禁惱羞成怒，叫嚷著要給八路軍加倍回擊，要活捉正在華北前線指揮作戰的八路軍副總司令彭德懷、八路軍副參謀長兼前方總部參謀長左權等領導人，徹底摧毀和消滅八路軍的抗日根據地。
從10月6日起，日軍調動數萬兵力向華北各抗日根據地開始進行報復性“掃蕩”。這實際上是日軍作戰的規律，即每次失敗後，必然出兵報復，失敗得越慘，報復得越凶，而且常常是敗兵剛剛收隊，大隊人馬就立即撲來，妄圖趁八路軍“消化”勝利果實時，打八路軍一個措手不及。對此，彭德懷和左權都很清楚。於是，“掃蕩”與“反掃蕩”便成了百團大戰第三階段的主要形式。
與以往相比，日軍的此次報復性“掃蕩”更加瘋狂，手段更為殘酷。在“掃蕩”過程中，日軍見人即殺，見屋即燒，見牲畜和糧食即搶或焚毀，水井用後則一律封埋或下毒，就連老百姓日常用的鍋碗瓢盆和農具也被砸碎、砸爛。日軍企圖通過此舉，將抗日根據地完全變成焦土，以挽回其慘敗的面子，穩定其業已動搖的軍心。在日軍歇斯底里的摧殘下，一些抗日根據地由於事先沒有充分的思想準備，反“掃蕩”動員不夠深入，致使民眾受到了很大的損失，許多村莊被日軍放火燒成灰燼，片瓦無存，其狀極慘。
日軍的殘忍與暴虐更加激起了彭德懷與左權等八路軍領導人的憤怒與仇恨，他們準備尋找機會，消滅一兩路進犯的敵人，打擊其囂張氣焰。不過，由於日軍來勢兇猛，為了八路軍總部的安全，彭、左兩人率領總部指揮機關在山西武鄉縣境內不停地轉移。同時，他們又急電在前線作戰的八路軍總部特務團，要其火速趕往武鄉縣東北地區，向總部靠攏。10月19日，彭德懷和左權向八路軍晉察冀軍區、一二○師、一二九師等部隊正式下達了反“掃蕩”作戰的命令。命令要求在敵人對各抗日根據地採取拚命毀滅政策的形勢下，各根據地黨政軍民要密切配合，廣泛開展游擊戰，粉碎敵人的“掃蕩”。隨後，彭德懷離開八路軍總部，到晉東南各戰場巡視，了解敵情和戰況。當看到因日軍的“焦土政策”而變成廢墟的一個個村莊時，彭德懷如萬箭穿心，痛楚不堪。他更加堅定了自己的決心：決不能允許日軍如此暴虐下去，一定要打一兩個大的殲滅戰，打退敵人的進攻。
關家垴戰鬥 10月下旬，日軍三十六師團岡崎大隊約500人，瞎打亂撞來到了八路軍總部設在遼縣、武鄉縣、黎城縣交界地區的黃崖洞兵工廠。該兵工廠是八路軍總部在華北敵後建立的最大的武器彈藥生產基地，曾被朱德譽為八路軍的“掌上明珠”。接到日軍進犯黃崖洞兵工廠的報告後，彭德懷立即命令一二九師三八六旅趕往黃崖洞打退日軍的進攻。日軍見八路軍大隊人馬來援，在兵工廠內放了一把火後即逃離了此地。
戰役過程
日軍進攻
岡崎支隊
因第1軍各鐵路沿線的兵力不足，於是從駐山西運城的第37師團各單位抽調部隊組建成岡崎大隊（大隊長第37步兵團參謀岡崎謙長步兵中佐）參與這次掃蕩。岡崎大隊10月6日從晉南的聞喜出發，於10月9日下午抵達南關鎮。該大隊由以下部分組成：
37師團一個中隊（具體中隊番號不詳）；
獨立第九旅團一個中隊（具體中隊番號不詳）；
獨立步兵第十二大隊一個中隊（具體中隊番號不詳）；
獨混9旅團一個山炮中隊（欠1小隊）；
工兵一分隊（番號不詳）；
旅團本部一分隊（隸屬獨立混成第4旅団，番號不詳）；
戰鬥醫護班；
輜重兵一小隊（番號不詳）；
總計岡崎支隊參戰兵力在510人左右；該部配有的欠一個小隊的山炮中隊，按照日軍編制，此戰有3門山炮加入作戰（戰鬥中發射山炮炮彈246發）。
上述部隊組成來自（獨立混成第4旅団第2期晉中作戦戦闘詳報 昭和15年10月19日～15年11月14日」）。
闖入黃崖洞
岡崎大隊自11日開始沿沁縣—西營—王家峪的路線東進，20日進逼第18集團軍總司令部所在地西井，25日，敵500多人沿桐裕河谷進入了黃崖洞，八路軍總部的水腰子兵工廠就在附近。水腰兵工廠設在太行山脊黎城縣的黃崖洞谷中，四面險峰環抱，唯一的出口是南面絕壁中裂開的一道裂縫，俗稱“翁圪廊”。八路軍總部把兵工廠設在這裡，是經朱德親自察看地形後，精心選定的。被朱德視為“掌上明珠”。經過精心規劃和建設，這個軍械所已形成月產400餘支步槍和大量子彈的生產能力。25日，當正在黎城八路軍指揮所的彭德懷聽到翁圪廊已經丟失，日軍開始進入黃崖洞的訊息，不禁大怒，要求嚴查擅自撤離者的責任，以軍法論處，並即刻命令386旅的772團和16團趕到黃崖洞，打退日軍的進攻。
其實，岡崎大隊並不知道黃崖洞有八路軍的兵工廠，當時他們也沒有找到水腰兵工廠。這主要是因為他們對當地的地形極不熟悉，且不敢離開地圖上標有的路線太遠。據戰後生還的老兵才田升回憶，岡崎大隊一直在沿西井—黃崖洞—左會這一路線追殺八路軍的指揮機關，但由於八路軍的靈活戰術、對當地地形的陌生和糧彈匱乏且補給困難，使得支隊疲於奔命而戰果甚微，直到10月28日才被迫開始從左會反轉。而回憶中沒有提到發現八路軍的兵工廠的事。
搶占關家垴
日軍見八路軍大隊人馬來援，日軍在放了一把火後即逃離了此地。隨後，岡崎大隊由黃崖洞西犯，很快就竄到了左會、劉家咀地區。不過，在抗日根據地軍民的襲擾之下，岡崎大隊於10月28日被迫撤到武鄉縣蟠龍鎮關家垴附近，準備奪道武鄉，退回沁縣。恰巧，剛打完榆（社）遼（縣）戰役的八路軍一二九師，此時就在蟠龍鎮附近休整。決不能讓岡崎大隊退回老巢！彭德懷決心消滅這股日軍。隨即，彭德懷趕回八路軍總部，與左權等人研究制訂具體的作戰計畫。
10月29日下午，彭德懷從黎城火速趕到武鄉縣蟠龍鎮石門村，決定親自坐鎮指揮。左權及一二九師師長劉伯承、政治委員鄧小平等人也先後趕來。當晚，彭德懷召集一二九師的師、旅幹部開會，正式下達八路軍總部的作戰命令：由劉伯承、鄧小平指揮一二九師三八六旅、新編第十旅各一部，三八六旅旅長陳賡指揮一二九師三八五旅一部和決死第一縱隊二十五、三十八團各一部，彭德懷親自指揮總部炮兵團山炮連，於10月30日凌晨4時對日軍岡崎大隊發起攻擊。具體攻擊部署是：三八六旅七七二團和總部特務團為一路，從關家垴東北、東南側攻擊；三八五旅七六九團為一路，從關家垴的西北側與前一路並肩攻擊；決死第一縱隊為一路，由南向北推進，在關家垴南側對日軍的左翼進行牽制；新編第十旅為一路，由西向東封鎖日軍西逃之路。會議結束後，各路參戰部隊迅速向指定的攻擊位置進發。
正當八路軍進行合圍時，日軍連夜占領了關家垴。關家垴位於太行抗日根據地的腹心地區，在武鄉縣蟠龍鎮磚壁村正北13里處。這一帶山嶺起伏，溝壑縱橫。關家垴是群嶺環抱的一個高高的山崗，山頂是一塊方圓幾百米的平地，很適合排兵布陣。其北面是斷崖陡壁，下面是一條深溝，東西兩側坡度較陡，只有南坡比較平緩，可作進攻路線。因此，關家垴可謂易守難攻之地。關家垴南坡上面原住著50餘戶姓關的人家，沿山壁構築了一孔連一孔的窯洞。此時，村裡的人早已轉移出去了。南坡的對面是一個比關家垴更高的叫柳樹垴的山崗，與關家垴互為掎角，從柳樹垴上可以用火力控制通往關家垴的小路。岡崎大隊在占領關家垴的同時，也占領了柳樹垴，並連夜在兩地構築工事，挖了坑道，拆下當地住戶的門窗架在上面，築成了隱蔽所。在關家垴山頂的平地上，日軍也架起了幾挺機槍。這樣一來，日軍就在關家垴和柳樹垴布成了一個嚴密的火力網。
我軍反擊
夜襲失利
10月29日23時左右，左權忽然接到日軍岡崎大隊已占領關家垴和柳樹垴的報告。他看了看錶，離預定的總攻時間還有5個小時。敵情的這一變化，對八路軍的攻擊十分不利。原本山路就很狹窄，大部隊難以展開，從現在的情況來看，進攻關家垴就更加困難了。眼下的這一場戰鬥，很可能是一場惡戰。左權不禁有些擔心。改變作戰計畫已不大可能，彭德懷已經下了作戰命令，並且一再強調務必要殲滅這股日軍。所以左權此時想得更多的是如何指揮部隊去取得這場作戰的勝利。經過慎重考慮後，左權決定讓八路軍總部特務團利用黑夜提前發起攻擊。
下定決心後，左權把特務團的團、營以上軍事幹部召集到指揮所，交代任務：第二營從側後摸到關家垴山頂，30日凌晨3時發起攻擊，除掉山頂上日軍的機槍陣地；第三營從關家垴和柳樹垴中間突擊，斬斷兩股日軍之間的聯繫，得手後向西突進，摸黑逐個消滅窯洞裡的敵人；其他兩個營從西北嶺插上，防止敵人逃回武鄉。左權特彆強調，特務團的總任務是掩護兄弟部隊按時進入陣地，然後來箇中間開花，與兄弟部隊配合，一舉殲滅敵人。部署完畢後，左權又解釋道：我們之所以要在3時發起攻擊，是因為敵人在我們的圍困下已經疲憊不堪，特別是他們又剛剛構築完工事，肯定是累得不行，困得不行，我們就要趁敵人酣睡時進行偷襲。
八路軍總部特務團受領任務後，團長歐致富要各營營長按照左權的部署立即行動。凌晨3時前，特務團各營就已到達預定位置。第二營神不知鬼不覺地摸到了關家垴的山頂。隨著寒光一閃，兩個日軍哨兵便悄無聲息地倒下了。接著，第二營的戰士把手中的手榴彈甩了出去，沉悶的黑夜頓時被隆隆的爆炸聲打破。
埋伏在山下的特務團各部隨著團長歐致富一聲令下，迅速向各自的目標衝去。起初，戰鬥進展得相當順利，特務團很快占領了關家垴上的一排窯洞。可正當特務團準備繼續向前攻擊時，左側的一間窯洞中突然響起猛烈的機槍聲，把特務團壓得無法展開。特務團警衛連連長唐萬成端起一挺機槍，率領一個班從斜坡上猛壓下去，拚死衝到窯洞前，隨即甩出一批手榴彈。頓時，窯洞裡黃煙滾滾。隨後，從裡面竄出來20多個日軍。唐萬成端起機槍一陣猛打，10餘個日軍立時斃命。他剛要往前沖，窯洞裡敵人的機槍又響了起來。唐萬成的一隻手臂被子彈擊中，機槍落到了地上。沖在前邊的排長趕緊跑過去，將滾落到日軍前的機槍搶了回來，隨即打出一梭子彈，眾人這才脫險。
原來，日軍將這排窯洞全打通了，每個窯洞都築有機槍陣地，既可獨立構成一個火力點，又可與其他窯洞互相掩護、互相支援，形成交叉火力網。機槍陣地前還挖有防彈壕，如果手榴彈沒有扔到位，掉到防彈壕里，就難以對日軍構成威脅。窯洞外也挖了工事，構成了里外相連、窯窯相通的循環作戰工事。特務團不知道此中情況，在同日軍爭奪窯洞時，付出了不小的代價。歐致富一看情況不妙，立即命令各營暫停攻擊，待大部隊發起攻擊後，再裡應外合殲滅敵人。
強攻關家垴
10月30日凌晨4時，八路軍總部指揮所發出了總攻擊信號。隨著幾發炮彈準確地落到日軍的前沿陣地，在日軍火力尚未展開之際，八路軍對關家垴和柳樹垴同時發起了攻擊。片刻間，槍聲大作，殺聲震天。
決死第一縱隊三十八團擔任攻打柳樹垴的任務。攻擊發起前，彭德懷親自來到該團陣地前沿進行動員：“同志們，你們決死隊，要向誰決死呀？”“向日本鬼子！”戰士們響亮的回答震盪山谷。彭德懷滿意地點了點頭。他用手指著日軍的陣地說：“好！前面打仗的地方，有好幾百個日本鬼子被我們包圍了。我們今天要消滅他們，你們就是要向他們去決死。我們抗日根據地有一條規定，凡是沒有帶路條的人，就不能讓他走。”八路軍副總司令親自作戰前動員，這讓決死第一縱隊三十八團的指戰員備受鼓舞，他們的戰鬥情緒一下就被調動起來了。“堅決消滅日本鬼子！”當總攻信號發起後，早已卯足了勁的三十八團指戰員迅速向柳樹垴衝去。雙方隨即在柳樹垴展開了激烈的爭奪和反爭奪。經過兩個小時的激戰，決死第一縱隊三十八團終於在天亮時搶占了柳樹垴。
在決死第一縱隊三十八團攻擊柳樹垴的同時，八路軍其他各部則向關家垴之敵發起了攻擊。由於地形過於複雜險要，日軍武器又精良，八路軍每攻下一個陣地、每前進一步都要付出不小的代價。日軍雖然傷亡不小，但沒有撤離逃跑的意思。顯然，他們知道，一撤離陣地就必然會遭到數倍於己的八路軍的分割包抄而被殲滅，他們要利用關家垴的有利地形，困守待援。
10月30日上午9時左右，關家垴上空飛來了幾架日軍飛機，並開始對關家垴進行狂轟濫炸。關家垴地方小，八路軍投入進攻的兵力多，日軍飛機的轟炸給八路軍以很大的威脅，八路軍不得不暫時停止進攻。日軍飛機狂轟一番後掉頭而去，八路軍各部繼續向當面之敵展開進攻。就在這時，決死第一縱隊三十八團與二十五團調整部署時，因戰場經驗不足，遭到日軍的猛烈反擊，一度被三十八團攻占的柳樹垴又被日軍奪了回去。戰場形勢的這一變化是彭德懷、左權未曾想到的，也影響了其他部隊對關家垴的進攻。接到報告後，彭德懷、左權立即命令陳賡組織兵力進行反攻。於是，八路軍在進攻關家垴的同時，不得不重新組織三個營的兵力反攻柳樹垴。然而，連續攻擊了四次，其中一個營還加攻了三次，並有兩次攻上了山頭，但由於地形和幾支部隊協同及火力配合欠佳，雖給日軍以很大殺傷，卻未能奪回失去的主陣地，只好與日軍形成對峙。八路軍自身傷亡也較大。
在關家垴，三八六旅七七二團正由東北方向攻擊前進。由於攻擊地形十分不利，能接近敵人陣地的只有一條約0．3米寬的小道，戰鬥打得異常殘酷。戰士們一次又一次地攻擊，一個台階一個台階往上爬，反覆與日軍短兵相接，傷亡極大。戰至中午，七七二團一營原本70多人的一連只剩下3人；50多人的三連只剩下指導員和2名傷員；近70人的四連只剩下10餘人。午後，一營剩下的人員在營長蒲大義的帶領下仍繼續配合兄弟部隊向日軍攻擊。14時，當一營參加進攻的部隊被兄弟部隊換下來時，只剩下6人。戰況之慘烈可見一斑。
三八五旅七六九團從西北方向攻擊關家垴。這一面，是一個約20米高的陡崖，快到崖頂的地方，有一個略凸出來的壕坎，上面是30多米長的一個斜坡，一直通到關家垴山頂日軍的前沿陣地。攻擊前，七六九團突擊部隊曾藉助攀登工具和陡崖上的野藤爬到壕坎處，但被日軍發覺，日軍隨即用火力封鎖了斜坡。因地形所限，七六九團突擊部隊既無法發起衝鋒，又無法壓制日軍火力，反被日軍壓制在壕坎處無法行動。七六九團的後續部隊也因地形的限制無法投入戰鬥。
八路軍總部特務團雖然先於大部隊攻上了關家垴，並在大部隊發起攻擊後繼續向日軍發動攻勢，但因受地形及重武器缺乏的限制，未能給關家垴上的日軍以致命打擊，也無法壓制日軍的火力，自身傷亡也在不斷增加。
八路軍幾路攻擊部隊的進攻行動先後受挫，戰鬥一度呈膠著狀態，八路軍的傷亡在不斷增加。一些指戰員見不少戰友先後倒在了自己的面前，不禁怒火中燒，打紅了眼，即使負了重傷也不下火線，要堅持戰鬥到底，誓為犧牲的戰友報仇。
內部爭論
八路軍進攻受阻，且傷亡較大，這令在前方指揮作戰的陳賡坐立不安。他對是否要繼續攻打關家垴產生了猶豫。隨後，陳賡拿起了電話，向彭德懷提出了自己的意見：“此處的地形對我十分不利，是否可以把岡崎大隊放下山來，另選有利地形打他的伏擊？”“不行，一旦放走日軍，就很難再打著他了，必須在此將其消滅！”彭德懷態度堅決。“這樣打下去，代價太大了！”陳賡想繼續說服彭德懷。彭德懷答道：“就是拼光了，也要拿下關家垴！ ”“現在拼光了，以後怎么辦？”陳賡問道。“拼光了以後再補充。不能打硬仗的部隊，以後也沒有前途！”彭德懷的語氣仍不容置疑。“這樣打法，我不贊成！”陳賡有些急了。“有意見可以保留，但命令必須執行！”彭德懷隨即放下了電話。陳賡只好繼續組織部隊向前攻擊。
當時，彭德懷和左權的指揮所設在離關家垴有兩三里處的一孔破窯洞中。彭德懷放下電話後，便走出窯洞，舉起望遠鏡向前方看去。只見戰士們奮不顧身地衝上去，然後栽倒、流血，他心中也焦急萬分。他為犧牲的戰士感到痛心，更對目前戰鬥的膠著狀態深感不安。彭德懷皺緊了眉頭，沒想到這塊骨頭竟這么難啃！更令他不安的是，據偵察人員報告，數千名日軍已從四面八方向關家垴趕來，如果敵軍援兵一到，後果將不堪構想。彭德懷陷入了沉思。指揮所里的左權則正在和作戰參謀們一起對著地圖研究戰況，商量著如何才能打破目前的這種僵局，儘快解決戰鬥。
正在這時，在前方指揮作戰的劉伯承鑒於八路軍各攻擊部隊損失較大，也打來電話，建議部隊暫時撤圍，另尋戰機。對於前方的戰況，彭德懷當然很清楚，也知道進攻部隊打得很苦，傷亡也較大。但一直以來都想消滅一兩路日軍，打一個漂亮的大殲滅戰的彭德懷，怎肯放走這股日軍。彭德懷在電話中對劉伯承說道：“岡崎大隊所剩人已不多了，我們不能給敵人喘息的機會，應該一鼓作氣堅決消滅他！”劉伯承回道：“我的彭老總啊，這樣打我們賠不起呀！”彭德懷耐著性子說道：“我的老兄，敵人援兵正在逼近，一旦放虎下山，他立刻就會得到援兵的接應。”“那就以後再收拾他！關家垴的地形對我不利，我軍傷亡太大了！”劉伯承回道。但彭德懷仍堅持打下去。最後，劉伯承也有些生氣，對彭德懷說道：“你這是賭氣，蠻幹！這一仗，我不同意再打！”彭德懷也終於按捺不住直往上竄的火氣，在電話中發起了犟脾氣：“拿不下關家垴，就撤銷第一二九師的番號，殺頭不論大小！”
在七六九團指揮所，劉伯承拿起望遠鏡觀察了一下前面的攻擊地形。忽然，連線關家垴陡崖崖頂與壕坎之間的斜坡上隱隱露出的黃土引起了劉伯承的注意。他隨即問道：“壕坎上面的斜坡是土質的嗎？”七六九團團長鄭國仲回答：“是黃土坎。”劉伯承頓時有了主意：“挖暗道，通上去！”鄭國仲一聽，茅塞頓開。於是，他一面組織火力佯攻，以吸引日軍的注意力，一面組織人員從壕坎下面挖通往關家垴山頂的暗道。這樣，七六九團終於找到了解決部隊無法向關家垴進攻的辦法。
被迫解圍
經過10月30日一天的激戰，八路軍雖占領了關家垴和柳樹垴部分日軍陣地，殲滅了不少日軍，但剩下的日軍仍占據著兩地的主要陣地。與此同時，一二九師三八五旅和新編第十旅在外圍的阻擊戰也於同日打響。當分別從武鄉、遼縣出動的2500多名日軍向關家垴增援時，遭到三八五旅和新編第十旅的頑強阻擊。激戰中，新編第十旅旅長范子俠負傷。此外，由黎城等地出動的數千名日軍機動部隊，繼續向關家垴開進。在此情況下，三八六旅又派出一個團前去擔任阻擊任務，八路軍其他各部則於10月31日重新組織兵力對關家垴和柳樹垴的日軍發起了進攻，力爭在日軍援軍到來之前殲滅岡崎大隊 ，結束戰鬥。然而馳援日軍最終逼近關家垴，八路軍不得不撤退。
岡崎大隊老兵才田升回憶：“到10月31日早上，共軍對文徳高地的攻擊已持續了一天一夜，守衛陣地的士兵由於日夜激戰，已經耗盡了彈藥，處於用刺刀和敵人肉搏的困境。攻進陣地前沿的敵人，利用死角向我方戰壕不斷扔來手榴彈。我方士兵不停地抵抗，雙方展開了激烈的肉搏……岡崎中佐站在陣地上指揮作戰，10時30分左右一顆迫擊炮彈落在近旁爆炸，岡崎大隊長、藤澤少尉和犬飼上等兵當場被奪去了性命……就這樣，到下午1時，支隊逐次放棄了大部分主陣地，退至文徳高地的頂端台地陣地，縮小了戰線……到下午3時，一部共軍沖入了台地陣地，正當我軍無力反擊，最後時刻將要來臨時，共軍開始了全面的撤退。”
戰役結果
此次戰鬥，八路軍以絕對優勢兵力圍攻日軍一個大隊，激戰兩晝夜，根據當時的我軍戰報，我軍129師傷亡600餘人，日軍遺屍100多具，繳獲各種槍枝100多支。但據陳賡回憶，我軍傷亡2000餘人（其中陣亡1000多人，此為百團大戰129師傷亡總數），另說八路軍在關家垴戰死589人、傷1570多人，總計2160餘人。日軍陣地遺屍280餘具（其中有大尉軍官2人、中、少尉軍官5人），另外還有三大堆骨灰。我軍俘虜日傷兵2人，繳獲步槍50多隻，輕重機槍6挺 （另說日軍陣地遺屍是八路軍官方宣傳，因日軍最終戰勝並火化陣亡者遺體帶走骨灰，八路軍日後回到該陣地無從清點日軍遺棄的陣亡者屍體。"日軍陣地余屍280餘具及三堆骨灰"此戰果出自百團大戰戰報第240號。該戰報稱八路軍克復關家垴，幾乎殲滅岡崎大隊，並猛攻來援日軍使其潰逃）。
日本資料目前有三個傷亡版本，
（1）台灣翻譯的《華北治安戰》上記載日軍陣亡61名；
（2）福岡刑務所作業課平成02年07月20日（1990年）發行的《晉南第八中隊史－第37師團歩兵第226連隊》中才田升 上記載，日軍岡崎大佐以下10名日軍戰死（據考證，此陣亡數應只含226聯隊，非岡崎支隊總陣亡數）；
（3）獨立混成第4旅團第2期晉中作戰戰鬥詳報中說"整個獨混第四旅團"從10月19日—11月14日陣亡71人（據考證，內含岡崎大隊陣亡50人，而傷者為99人合計149人 ）；
有人引用薩蘇的《七十萬魂不還鄉》認為這個傷亡的落差是因為日軍慣常隱瞞傷亡，這說法很有依據，日軍戰報有注水嚴重的慣例，但是已有多人對此文提出反駁（《怎么評價旅日作家薩蘇？》），表示幾十年後解密的軍內報告在寫成時不可能有隱瞞傷亡的事，而且薩文錯誤很多，最基本的伊藤正德氏根本沒有寫過《帝國陸軍史》而只有《帝國陸軍的最後》書中明確表示陸軍死亡數就是厚生省的140萬因此不可能有78萬人死在中國戰場。此外“第三聯隊在萬全全軍覆沒”也非事實，因為接下來又馬上去攻打陽高而且有明記在陽高只陣亡數十人了 。因此薩蘇此文不能證明日軍戰時戰報或是戰後統計會慣常隱瞞死亡。日軍戰後提交給上級的戰鬥詳報的數字僅供軍隊內部掌握，並不向公眾公開，而戰鬥詳報中的傷亡數字是要求補充兵員的根據，因此對日軍前線指揮官來說在詳報中隱瞞傷亡的唯一結果是沒有足夠兵力去面對下一次任務沈志華的指出對於現代戰爭傷亡數字的標準，只能以本國的傷亡統計人數作為依據，交戰國認定的不能算數。
幾天后，彭德懷、左權、劉伯承、鄧小平、陳賡等人一齊登上關家垴，仔細查看了日軍的臨時工事、暗堡掩體、火力配置。隨行的參謀人員也將敵人的陣地一一繪製成圖。劉伯承看到日軍挖的眾多“貓耳洞”，人躲藏在裡面非常安全，很受啟發。他說：別小看這小小的招式，非常實用，憑我們現有的武器還真難對付。日軍善於利用地形、善於構築工事、合理配置火力的實例，使身經百戰的八路軍將領很受啟發。
當年曾參加這次戰鬥的八路軍總部特務團團長歐致富回憶說：“彭老總堅持要打關家垴戰鬥，還有一個意圖：八路軍是堅持敵後抗戰的主力軍、正規軍，不但要會打游擊；必要時，也得猛攻堅守，頑強拼殺，敢於啃硬骨頭。”
時任決死第一縱隊政治委員的薄一波回憶說：“彭老總向我調決死隊兩個團參加戰鬥，我是很積極的。戰鬥中損失固然大，但這兩個團也打出來了，成為決死隊戰鬥力最強的兩個主力團。”
戰前制定的使日軍不敢以一個大隊行動的目標未能實現，實際上戰後日軍以一個大隊進駐太行山根據地的中心沁源長達兩年之久，而八路軍主力卻未能再次進攻，而是發動老百姓進行沁源圍困戰，堅壁清野才逼走日軍。彭德懷則因為此戰蠻幹瞎指揮，連帶內部對百團大戰評價都出現極大爭議，對第一。第二階段都還是沒有多大分歧。否定百團大戰也主要是否定百團大戰第三階段，而第三階段也主要是否定關家垴戰鬥。
彭德懷對“打得比較苦些，傷亡也比較大些”的關家垴之戰也深感不安。在《彭德懷自述》中，他將關家垴戰鬥視為自己戎馬一生的四大敗仗之一，其他三次是紅軍時期贛州戰役，解放戰爭時期的西府隴東戰役和韓戰的第五次戰役。
