1938年2月中旬，侵華日軍為配合其津浦線作戰，以其第14、第16、第20、第108、第109師團各一部，共3萬餘人，從平漢、同蒲、道清等鐵路線和臨近的一些公路，向晉南、晉西發動進攻。根據當時形勢，八路軍總部朱彭左首長分配給129師的任務是在敵人的後方，積極開展游擊戰爭，尋找機會打擊敵人，牽制向西進犯的日軍。
129師長劉伯承根據敵情和地形偵查情報，運用“攻其所必救，殲滅其救者”的戰法，選定位於黎城與潞城之間的神頭嶺作為我軍伏擊的中心區域，準備設伏於神頭村南北公路兩側，殲滅潞城出援之敵。方案得到了朱總司令、彭副總司令的批准。
從地圖上看，神頭嶺的確是個打伏擊的好地方，緊靠神頭嶺北邊有一道山溝，公路正從溝底通過，兩旁的山勢險要，既便於部隊設伏，有便於部隊出擊。但是，當大家去現場看地行時不禁大吃一驚，國民黨的軍用地圖太差了！公路是從一條寬度不過1、2百米山嶺上通過，而不是地圖顯示的溝底，且沒有可供部隊隱蔽的地形和林木，只有一些國民黨留下來的破舊工事。在地圖上選定的伏擊戰場不靠譜了，這仗還要不要打，大家猶豫了。
但是陳賡旅長卻有自己考慮，兵法雲：出其不意，攻其不備。敵人運輸車隊每天都從這裡經過，根本想不到八路軍會在此設伏；地形狹窄，不利於展開，有利於先下手的八路軍。經過耐心說服，大家很快統一認識並研究了具體部署。
3月16日4時，我第769團第1營突入黎城城內，與敵展開激戰。潞城之敵得知黎城被襲，隨即抽調步騎兵一千五百餘人向黎城增援。8時30分，敵先頭分隊乘汽車2輛和騎兵20餘人，沿公路通過我設伏地區向黎城開去，我伏擊部隊將該敵放過。9時，敵主力縱隊先頭進至神頭村，稍事休息並派尖兵搜索後繼續前進。
當敵主力完全進入我設伏區後，我各部隊按照統一信號，向敵突然開火，發起衝擊。第771團攔頭，第772團第3營斷尾，第772團主力和補充團從公路兩側向敵突擊，頓時將敵截為數段。瞬間昔日平靜的山樑變成了一片火海，爆炸聲此起彼伏，硝煙籠罩住了整個山樑。由於隱蔽點距離公路才不過幾十米，所以八路軍的手榴彈可以很輕鬆地投到日軍頭上，密集的火力幾乎覆蓋了整個日軍車隊。激戰大約半小時後，我預備隊第771團第2營一部投入戰鬥，敵雖利用大車、死馬作掩護，全力頑抗，但架不住我頑強的八路軍衝擊，戰至11時30分，日軍除百餘人由潞城方向逃跑外，其餘全部就殲。此時，先前越過我伏擊地區的敵人先頭部隊也被我第771團特務連殲滅。
至16時，神頭嶺伏擊戰勝利結束時，斃傷俘敵1500餘人，斃傷和俘獲騾馬600餘匹，繳獲各種槍支550餘枝，擊毀敵汽車百餘輛。我傷亡240餘人。神頭嶺伏擊戰一反常規的將設伏地點選在沒有任何隱蔽物的狹窄公路上，將部隊隱蔽在日軍每天司空見慣的路邊破舊工事中，收到了出其不意的效果。攻擊點選擇準確，伏擊點選擇精妙，充分體現了八路軍游擊戰的精髓。就連日軍也不得不承認，神頭嶺伏擊戰是“一流的游擊戰”。
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