八路军太岳军区司令员（旅长）为进一步摧毁敌人对我根据地的分割封锁，将小块游击区扩展为大块根据地，同意了第四军分区司令员李云龙的作战计划，批准了李云龙攻打河源县城的行动方案。
李云龙所部多人发起了攻势，一周内先后拔除敌人据点50余处，守卫河源县城的日伪军害怕被歼，只得弃城逃窜，沿途又经地方武装打击，残敌逃至大同等地暂时喘息。
敌人逃跑后，李云龙所部八路军和游击队立即发动群众，星夜加固了城墙、碉堡和军事设施。
随着寒冬季节的即将到来，日伪军为了抢夺粮食，又拼凑了大同、福安、潞阳、水泉等几个县的日军都要增援，几个县的伪军警备队多人，组成“晋西北剿共保安联合军”，跟随日军第29旅团，想要重新占领了河源县城，准备以此重新为基地，对付李云龙所部。
对此，第四军分区领导李云龙等人决定趁敌人立足未稳之机，决定分兵，独立团与新三团发动奇袭水泉县城，剩下五个团包括补充团消灭即将进犯河源县城之敌，保卫胜利果实。
经研究，决定此次战斗由七个团，加上河源、平安等县的县大队以及军区直属特务营、侦察营配合行动。
10月28日，独立团与新三团秘密出发，于第二天上午推进到水泉县城附近的靖安镇地区。
在这里，军分区副司令员邢志国，参谋长张大彪主持召开作战会议，进行了最后的部署，并进行了战斗动员。会议后，参战各部队按计划迅速推进，于当日22时到达指定作战位置，形成了对来犯日伪军的包围。
29日23时，攻取水泉县城的战斗打响。独立团、新三团全体指战员在地方武装的协助下，突然发起攻击。击破守城敌人的抵抗，迅速夺取了东门、南门，并一举突入城内，与敌人展开巷战，连续打退了敌人的数次反扑。
部分民兵突击组在火力的掩护下，占领了西城门的制高点，又沿城墙向北攻击，并跟踪追入城内，配合独立团、新三团将敌人分割包围。
敌人遭到突然打击，很快溃不成军，残敌在日军的督战下，退入城中的大新寨顽抗，企图固守待援。独立团与新二团各部肃清大新寨外围的敌人后，很快迫近大新寨。
30日拂晓前，八路军发起了对大新寨的总攻，主攻任务交给了独立团。大新寨四周筑有6米高的围墙，4角各有一个两层炮楼，构成火力交叉体系。独立团一营决定以一连为突击队，从大新寨东北角实施突击，攻占东北角炮楼及其东侧的房屋，并调来九二步兵炮和迫击炮各20门实施掩护。
攻击开始后，掩护炮火向守敌猛烈射击，在炮楼一层击穿一个洞，突击队战士冒着枪林弹雨从洞中冲入，很快消灭了尚在炮楼和东侧房屋中顽抗的敌人。敌人为了夺回炮楼，发起了3次反扑，均被打退。张大彪随即命令预备队出击，很快就攻入了大新寨。
残敌见大势已去，立刻放弃防守，企图趁着黑夜分头突围，逃脱被歼灭的下场。有两千多名伪军在日军顾问的指挥下疯狂向县城西北角突围，被新三团，县大队等攻城部队包围，除被击毙外其余全部投降。
还有300多名敌人企图从城北突围，被埋伏在水泉县城外的河源县大队堵住，经过激战，这股敌人全部被歼。
还有一股日伪军两百余人企图向福安县城方向逃窜，途经瓮村地区时，被等候在这里的平安县大队发现，发生激战。敌人几次突围不成，反而被压缩进瓮村村内。
平安县大队随即将村子包围。这股日伪军见无路可逃，自发打死几个督战的日军，很快缴械投降。
30日10时，战斗胜利结束，据统计，此次战斗全歼守敌4000余人，八路军还缴获了丰厚的战利品，大批军需物资。
战后邢志国与张大彪、新三团团长沈泉商量，留下独立团守卫水泉县城，沈泉率领新三团回援据守在河源县城的李云龙等人。
李云龙和李云烨、赵刚几人为了保护河源县城，选择与日伪军在河源县城外展开阵地战，将作战地点选在了河源县城附近的草甸山附近。
这次来犯的日伪军除了留在水泉县城的6000多人，一共有多人进犯河源县城。而第四军分区有两个团去攻打水泉县城，加上补充团一共有多人，虽然这是李云龙等人参军以来，第一次指挥这么大规模的战役，但几人依然信心十足。