在百团大战第二阶段，25团参加红崖头伏击战，8架敌机轮流轰炸，部队伤亡较多，李懋之指挥6挺机枪迎头集束射击，一架敌机被击中，冒着黑烟逃跑了。
百团大战斩断了敌人的生命线——铁路，给其“囚笼政策”和“堡垒主义”以沉重打击。震惊万分的敌人疯狂进行反扑，调集重兵对我华北各根据地进行残酷的大扫荡。同时集结万余兵力，东西对进，企图合围我武乡砖壁村八路军总部。这时，25团奉命归八路军总部指挥，在武乡蟠龙、温庄一带阻击敌人。10月21日上午，日寇冈崎大队及一部分伪军七八百人，在飞机、大炮的掩护下向25团阵地发起进攻，激战到傍晚，我军共打退敌人8次进攻，打死打伤敌人200多人，之后撤退到石门第四道防线继续阻击。
晚上，利用敌人宿营的机会，李懋之和团长苏鲁到八路军总部请示下一步行动，彭德怀、左权留他们吃饭。李懋之看到首长们从容不迫，神态自若，好像此地无战事，给他留下深刻的印象。吃过晚饭，李懋之向彭、左首长汇报了一天的战斗情况，左权副参谋长告诉他们，总部决定今晚转移，你们保卫总部的任务已经完成了。命令25团今晚10点转移到南面朱家山，回归陈赓指挥。29日日寇冈崎大队500余人行进到石门以北的关家垴，彭总判明敌人是孤立的一路，决心消灭这股敌人。命令386旅和25团、38团在关家垴以南挡住敌人退路，又急令385旅、新10旅、总部警卫团和炮兵团从东面、北面将敌人重重包围在关家垴。彭总到25团阵地用望远镜观察敌情，李懋之请他下到战壕，“怕什么！”彭总淡然道，“你们掩护总部的阻击战打得很好，这次还要打好。”他看了一下前方，说，“这条大道很重要，要严防敌人从这里突围。”关家垴一仗虽然歼灭冈崎以下敌人500多，但25团打得很艰苦，伤亡很大。
关家垴战斗后，25团奉命到襄垣县水碾沟休整两个半月。1941年春节后，接到返回太岳区的命令，李懋之亲自带侦察员侦察返回路线，分两批送回伤病员后，全团于1941年2月12日顺利返回太岳区唐城，经受了百团大战严峻的考验和锻炼，这支年轻的部队已经在战斗中成长起来了。百团大战前，李懋之的发妻殷爱莲贫病交加，在老家去世，年仅27岁。
（四）加入共产党
1941年，敌后抗日战争进入了最困难最危险的阶段。我太岳部队在陈赓、薄一波的领导下，同敌人进行了艰苦卓绝的斗争。
1942年2月，日寇3万多人“扫荡”我太岳根据地，李懋之把自己的笔记本（包括日记）装进箱子埋在菜地里，结果被敌人挖走，十分可惜。在敌人的铁壁合围中，李懋之带领部队几次化险为夷，受到官兵的交口称赞。这时，军分区参谋长李成芳下发通报，要求部队进行春季反扫荡总结。团里在转发此通知时，也用参谋长李懋之的名义。通知下发后，团政委雷荣天批评李懋之：“你为什么以个人名义下发通知？”李懋之说：“这是军队的通用规则。”雷荣天说：“通用规则也不能用，因为你不是共产党员。”李懋之很生气。事后，李成芳给雷荣天打来电话，说通知由参谋长署名是对的，政委不该干涉。特别对非党参谋长更要尊重。但李懋之心情郁郁难平。此事反映到上级，军分区派组织科长赵征夫来了解情况。李懋之问赵征夫，“我够不够党员条件？”赵征夫说：“根据这些年的表现，你具备入党条件了。”李懋之说：“那为什么不批我入党？”赵说：“噢，你还不了解，入党是要自己申请的。”李懋之这才恍然大悟，很快写了入党申请书。
不久，在薄一波等领导的关心下，李懋之入党得到了解决。1942年8月由团长刘丰、政委雷荣天介绍加入了中国共产党。
在唐城时，李懋之结识了小学教员张兰香（后改名兰风），彼此都有好感。张兰香是安泽县庞壁村人，1924年6月生人，出生8个月就被父母送给远房舅舅当闺女。舅母性情刁蛮，张兰香童年受尽虐待。12岁时，养父母就为她定了亲，男方是一个地主的儿子。1940年张兰香不满16岁，婆家抬着花轿，吹吹打打来娶亲，可是张兰香失踪了。原来天不亮她就拿着小包袱跑到沁源县太岳行署，要求参加革命，随即被送到干部学校学习。张兰香反对封建婚姻，得到民众和政府的支持，李懋之对她更增加了一份尊敬。25团在秋季反扫荡胜利结束后，李懋之和张兰香确定了恋爱关系。
（五）围困沁源
1942年10月20日，日军纠集3万多人，分7路合击我驻沁源的党政军领导机关和部队。沁源县是太岳根据地的中心，战略位置十分重要。为了粉碎敌人的进攻，太岳党政军领导机关和群众迅速转移。我主力部队奉命转移到外线，各自独立作战。日寇要在沁源建立“山岳剿共实验区”，妄图以沁源为突破口，“蚕食”我根据地，继而在整个华北地区加以推广。从10月30日开始，日军在沁源各交通大道上扎下十五个据点，城关据点的日军还在城外竖起了一块写有“山岳剿共实验区”的木牌，显然，日军此次是铁了心要在沁源干出点名堂来。
陈赓和薄一波反复研究对策，认为在敌强我弱的总形势下，不能拼光老本去争夺沁源县城，而应该扬长避短，发挥优势，广泛发动群众，对沁源之敌实行围困战。
11月11日，太岳军区发出《围困腹地之敌、断绝其补给线》的命令，并把在外线作战的决死第1旅38团调回沁源，准备长期围困沁源之敌。12月中旬，太岳区南部反“扫荡”战役胜利后，陈赓把李懋之叫到军区指挥部来，当面指示围困战的任务。他说：“五年来鬼子对我们太岳区进行多次大‘扫荡’，用尽了残暴手段，始终没有能够征服沁源人民。我们党在沁源有雄厚的群众基础，我们有战斗力很强的正规部队，加上县区武装和民兵以及山多林密等有利条件，对沁源的敌人采取长期围困战的方针，一定能把敌人逼走，不走也得困死在孤立的据点里，决不能让他们‘实验’成功。我已经同一波政委和决1旅的领导商议好，把你从25团调到38团任参谋长兼围困沁源总指挥，常驻沁源指挥部。沁源县委书记刘开基为指挥部政委，县长张学纯、县大队长朱秀芝为副大队长，县委副书记侯振亚为副政委，统一指挥38团、25团、57团各一个营和赵洪支队的两个连以及县区基干队与民兵，对敌人进行围困战斗。你们要很好团结起来，动员各阶层群众，不断教育群众，带领全县人民克服一切困难，进行坚忍不拔的党政军民总体战，不管时间多久，一定要战胜敌人！”在交代围困战的具体战术后，陈赓最后说：“成立围困指挥部的命令已经下发了，你要立刻去。到指挥部后，把我说的意见传达给大家。这是一场与敌人进行顽强性比赛的斗争，万万不能前紧后松。”看李懋之在认真记录，陈赓微笑问道：“你有什么意见？”李懋之抬起头，坚定地回答：“服从命令，坚决完成任务！说点意见，请首长考虑。”李懋之说了三条个人意见，特别是建议把一部分部队化整为零，同县区基干队和民兵组成游击集团，分布在敌占点线周围和交通沿线，开展“麻雀战”、“黄蜂战”和地雷战，锻炼他们的战斗力，各营掌握一两个连的机动部队，打击敌人交通运输，相机袭击敌人据点。
陈赓连连点头，李懋之不仅能领会上级的意图，还肯动脑筋，提出好的建议，这一点让陈赓很满意。他说：“你这些意见都很好。兵无常势，只要能消灭敌人，什么办法都可以使用。但是，只能打巧仗，不能打硬仗；袭击敌人据点，必须谨慎，不能硬拼吃亏。”
李懋之迅速赶到38团就职，与前任围困战总指挥蔡爱卿团长等团领导充分交换意见。1943年元旦那天，他到达沁源县委，与县委同志一起组织起新的指挥部，开始工作。根据陈赓司令员的指示，李懋之领导指挥部对群众开展深入细致的思想动员和教育工作，进一步巩固全县空室清野的成果，在决死第1旅所属各部及沁源县游击大队和民兵的掩护下，3200多户人家、1.6万多人全部疏散转移，使主要交通要道两旁方圆40余平方公里内真正变成了“无人区”。
大转移时，各村镇的老百姓把能带的粮食、蔬菜、被褥、衣物、灶具、门板等东西全都带走了。同时，把能填的水井都用土填上，来不及填上的水井则用粪土、死猫死狗等脏物将其污染，使日伪军没有水吃。驻在城关镇里的日军伊藤大队长向驻临汾的师团部写信诉苦说：“来到这里，没有人，没有粮，没有水，天天有病倒的……”
但是沁源军民也面临着一些迫切需要解决的难题。时值隆冬，露宿在山林的群众中就有年老体弱者陆续病倒了。其次，老百姓面临断粮的威胁。更为严重的是，沁源各据点里的日伪军还不时地出来搜山抓人，对老百姓任意劫掠和屠杀。为此，指挥部先组织老百姓盖简易茅舍，接着组织群众打窑洞，一个春天就打出五千多孔窑洞，解决两万多群众住的问题；动员老百姓互借互济，发动群众采集野果野菜，同时号召部队节约粮食救济难民，岳北各县则掀起了“节约一把米”运动，筹集到了两千多石救济粮，支援沁源人民的围困斗争。李懋之又决定用主力部队和县大队负责掩护，带领群众到敌据点里抢粮。
1943年1月18日夜半，由知情的民兵和群众带路，各路抢粮队伍悄悄奔向日伪军驻地。
战斗开始后，我军用各种火器压制敌人的火力，伪军不抵抗，日兵钻在碉堡里向外乱放几枪，也不敢出来。群众立即紧张挖取埋藏的粮食，抢完自己的藏粮，有的还抢了敌人的仓库，顺手拿出一些衣物用具，缴获了伪军步枪70余支。群众按统一规定的时间与信号撤回，把粮食过称登记后，各自背粮食回家。此次从敌占区里抢出的粮食共有七千余石。
刚取得抢粮斗争的胜利，指挥部就得到敌人要换防的情报。李懋之立马部署伏击战，组织兵力、火力，分头进入伏击点。
斋藤大队从交口到沁源，尽管行军组织很严密，也派了不少掩护部队，但还是被我神枪手、“麻雀战”、地雷阵杀伤70余人。
换防的伊藤部队，为了躲避打击，只交代了一天“实验”情况，就于1月24日凌晨仓皇撤离沁源，向安泽县逃跑。25团指挥员立即调兵侧击、追击敌人，咬住了敌人后卫，激战半小时，杀伤敌伪60余人，缴获颇多。
进入沁源的敌斋藤部队是一个加强大队，装备好，火力强。斋藤是一个刚愎自用、阴险狠毒的家伙。他用带进来的民夫拆民房，增筑堡垒，加固工事和营房和扩修大道，同时，派出大批特务、汉奸，四处散布谣言，煽动难民回家成立维持会。个别游手好闲的地痞流氓投敌当了警备队员和特务，成立起“维持会”。后来，民兵夜晚摸进据点，镇压了几个汉奸特务。从此，想搞“维持”的人，就销声匿迹了。
不久，敌人加紧了军事“扫荡”，在一个多月的时间内，连续奔袭了几十个村庄。
4月28日夜，日军突袭霍登村，几天时间，就活埋、刀砍、枪杀我同胞30人。血腥的屠杀更激起了沁源人民同仇敌忾，拼死战斗到底的决心。
指挥部分析了敌我情况，决定坚决打击斋藤部队，李懋之指出，这是一个硬仗，必须充分准备，严密组织，突然投入战斗，迅速结束战斗。
5月1日凌晨3时，我主力3个连由霍登民兵带路，避开敌巡逻兵，插入僻静小巷，直奔敌住的5个大院。敌人在梦中惊醒，被我军封住大门，堵在院子里。已登上窑顶和房顶的部队，用密集的手榴弹向院里砸，用机枪扫射，一个半小时的战斗，共打死打伤敌人中队长以下100余人。
伤亡惨重的敌酋斋藤大队长垂头丧气，于5月3日放弃霍登，收拾残兵，窜回城内。
春耕季节到来，围困指挥部认为敌人一定会出来破坏抢种，只有主动强袭城关和交口，压制杀伤敌人，解救被扣押群众，才能掩护好群众春耕抢种。
5月6日凌晨一点半，在总指挥李懋之和政委刘开基统一指挥下，各部队和游击集团发起战斗。紧接着全城枪声、手榴弹声、土枪土炮声、鞭炮声及喊杀声到处响起，各连的冲锋号也吹个不停……此次强袭城关和交口，共打死打伤日伪军250多人，救出全部被扣押群众1000余人，打破了斋藤一个月内建立起“维持会”的神话。
在沁源县委统一组织下，春耕抢种全面铺开，各主力部队和县大队每天早晚轮流在城关周围和敌据点外监视、袭扰敌人，保护抢种，七八天时间，就把“无人区”的几万亩良田下种完毕，群众带着胜利的喜悦，回到暂住的新村。
是年7月，陈赓司令员亲自到沁源的围困斗争前线慰问部队和民兵，在李懋之等人的陪同下，访问了转移在山沟里的难民。陈赓指示李懋之，要教会沁源军民造雷埋雷的本领。指挥部随即专门举办了训练班，沁源军民又兴起一场“造雷埋雷”运动。“家家造石雷，人人埋石雷”，他们利用地雷、滚雷、水雷、草雷(在草丛中埋设)、踏拉雷(前踏后响)、空炸雷(在空中爆炸)，多次炸毁日军的运输车辆，炸得日伪军胆战心惊。两年中，仅因触雷而伤亡的日伪军就有近千人，日寇寸步难行，谈“雷”色变。