9月20日夜，百团大战第二阶段的战斗打响。
其三，反“扫荡”和扩大政治影响使百团大战延长至1941年1月下旬才最后结束。
为了对百团大战实施报复，日军于1940年9月底部署了一场“毁灭战”。编入战斗序列的部队多达5个师团、10个独立混成旅团和1个骑兵旅团，实际出动兵力约15万。
在这种背景下，百团大战转入反“扫荡”阶段。
10月28日，日第三十六师团冈崎大队在一度窜入关家垴，这个地方距八路军总部所在地武乡砖壁村仅十多里山路。此时，陈赓所率的七十二、一十六、三十八、二十五共4个团正在八路军总部附近地区休整。冈崎大队一到关家垴，便被八路军包围起来了。
关家垴战斗于10月30日凌晨4时打响，时在前线的三八六旅参谋长周希汉说：“经两昼夜的激战，发动了十七八次猛烈攻击，多次进行白刃格斗，终于将敌占山头周围有工事的高地完全占领。冈崎大队六百余人几乎全部被歼灭，仅在关家垴的山上，敌人留下的尸体就有二百八十余具，还有尸灰三大堆。可见敌人败得多么惨重。”
八路军的伤亡情况也很严重，连同阻击部队在内，共伤亡六百余人，关家垴战斗因此而成为百团大战受到批评最多的一次战斗。
不容忽视的是，日军更加承受不了一次战斗死亡数百人的损失，关家垴战斗结束后的第二天，也就是11月2日，华北方面军匆匆宣布结束全面“扫荡”，关家垴战斗因此而成为百团大战主要战斗结束的标志。12月10日，八路军总部野战政治部发布了《百团大战总结战绩》，事实上宣告了百团大战的结束。由于战绩统计截止日期为12月5日，因此，史学界不少人以12月5日为百团大战结束的标志。
此后，一方面，各根据地的反“扫荡”战斗仍在继续;另一方面，由于此时的国共关系特别紧张，毛泽东和中央军委也要求“百团大战对外不要宣告结束”。于是，八路军各部一方面继续反“扫荡”，另一方面抓住机会继续打破袭战和伏击战，直至1941年1月24日晋西北根据地粉碎日军的反“扫荡”，百团大战才最后结束。
