太原會戰結束後，日軍已經控制山西正太鐵路沿線的交通點，因為國民黨的大潰敗，日軍主力得以進入晉東南。1938年2月，華北日軍開始發起徐州戰役，為了配合津浦路方面的日軍作戰，日軍駐山西方面的主力20師團、14師團、16師團、108師團等打算沿著平漢路和同蒲路進攻八路軍一二九、一一五師駐紮的晉西南地區。
日軍第16和20師團等一部，向晉西發起了進攻，根據日本大本營制定的戰略，日軍這次主要目標是消滅駐紮在晉西北的八路軍一一五師，為了配合八路軍一一五師在晉西進行的反圍攻，八路軍總部命令一二九師在正太路沿線進行阻擊。
接到八路軍總部的命令後，一二九師師長劉伯承心急如焚，因為日軍這次出動的軍隊人數要比以往多，所以這讓劉伯承感到非常棘手。為了粉碎日軍的陰謀，劉伯承連夜找來了一二九師旅以上幹部開會，會上劉伯承與李達等人制定了殲敵任務，他認為要想減少日軍對晉西一一五師所造成的傷亡，有必要吸引日軍主力進行決戰，可是因為八路軍裝備差，所以他打算利用獨立自主的山地游擊戰來打擊敵人。按照劉伯承等人的部署，八路軍一二九師應先在井陘和舊關之間尋機殲滅敵人，然後轉移至武鄉一帶，破壞敵人的補給線。等到敵人回援武鄉、襄垣時，我軍再轉移至邯長公路沿線，並在邯長公路一帶徹底聚殲頑敵。
劉伯承的軍事策略可謂高明，因為八路軍裝備差，一二九師官兵就有必要避其鋒芒，不過要想完成策應一一五師的任務，一二九師就需要大量殺傷敵人。
1938年3月，一二九師全體官兵根據劉伯承的指示，終於迂迴至邯長公路沿線。當時，邯長公路兩線的黎城和涉縣都是日軍的重要據點，這兩地與日軍108師團輜重部隊駐紮的潞城相距不過百里，因為這兩個據點是日軍前線部隊的重要補給站，一二九師便打算在這一地區尋機殲敵。
潞城、涉縣和黎城三城之間聯繫緊密，八路軍要想在該地大量殲敵，需要費一番周折。根據敵人攻打一處、兩處必援的特點，八路軍三八六旅旅長陳賡當即決定：圍城打援。
圍城打援，怎麼個圍法，又怎麼個打法呢？陳賡與三八六旅的官兵便展開了討論。會上，陳賡看著國民黨下發的地圖發呆，按照國民黨給的地圖，似乎邯長公路沿線的神頭村更適合伏擊。按照地圖所示，邯長公路從神頭村溝底通過，兩邊溝壑縱橫，很適合打伏擊。不過，陳賡一直對國民黨的地圖有所懷疑，所以他決定親自去實地戡察。
會議結束後，陳賡帶著王近山、葉成煥等團長來到了神頭村，當他們看到神頭嶺的地形後，當即傻眼了。原來，邯長公路並沒有從神頭村溝底通過，相反，公路線竟然在嶺上。看到這種情況，一些團長、政委非常惱火，不過陳賡在這個時候卻很鎮靜，他仔細勘察了神頭嶺的地形，終於發現了適合伏擊的地點。原來，在神頭嶺土坎兩旁，留有國民黨軍隊挖掘的舊工事。如果八路軍稍加利用，該地完全可以成為伏擊的最佳地點。伏擊地點已經確定，陳賡便迅速佈置任務。三八六旅不愧是一二九師的主力部隊，在陳賡的指揮下，全旅官兵很快就埋伏在了神頭嶺的周圍。
伏擊的地點已經確定，下一個問題，就是先打哪個據點。黎城、涉縣、潞城，只有黎城駐軍最少，葉成煥等團長認為圍攻黎城，然後在神頭嶺伏擊其增援部隊，陳賡同意了這個方案，於是全旅上下嚴陣以待。
1938年3月16日，我八路軍三八六旅769團開始向黎城發起進攻，同日769團1營突入城內，與敵展開巷戰。聽到黎城遭遇圍攻，潞城、涉縣兩地的日軍很快進行增援。769團得到日軍增援的消息，主動撤出了黎城，為了防止黎城守軍出逃，769團又在撤退的途中循次阻擊敵人，黎城守敵出城不得，只好龜縮至城內。
黎城日軍受阻，潞城、涉縣兩地的敵人還矇在鼓裡。3月16日上午，涉縣敵軍進入我軍埋伏圈，因為敵人發現了我軍的蹤跡，所以涉縣援敵首先發起了進攻，我八路軍769團2營立刻給予還擊。在這次戰鬥中，日軍的一箇中隊長被我軍擊斃，其它日軍看到中隊長“玉碎”後，坐著汽車倉皇逃回了涉縣。
經過769團的打擊，黎城、涉縣日軍已經不敢外出支援，他們只能龜縮至城內，進行零星的抵抗。潞城駐紮的是日軍108師團的輜重部隊，108師團是日軍侵略山西的主力，該師團在對陣國民黨軍隊時，鮮有敗績，這次108師團在聽到黎城被圍後，立刻調集了一千五百多人的輜重部隊救援黎城。陳賡為了對付潞城援軍，幾乎也動用了三八六旅的全部主力。
伏擊潞城日軍的是三八六旅的主力部隊771團和772團，其中，這兩個團的團長葉成煥、王近山都是久經沙場的名將。當潞城日軍進入神頭村後，葉成煥立刻派出部隊將潞城日軍攔腰斬斷，而後771團、772團和補充團向日軍發起突擊。
三個團同時向日軍發起突擊，日軍頓時慌作一團，據事後倖存的日軍回憶，神頭嶺伏擊戰日軍打著很艱苦，當時771團2營官兵衝入了敵陣，與日軍展開了白刃戰。在兩軍對壘中，這名日軍戰士看到自己的中隊長髮出一聲絕望的呼聲後，便引刀自盡。
神頭嶺伏擊戰的關鍵時刻，王近山、葉成煥等團長甚至親自上陣，他們掄著大刀與日軍展開肉搏。在這次戰役中，王近山非常勇猛，他一人就斬殺了六名日軍士兵。
潞城日軍從沒有遇到過這麼頑強的部隊，在絕望之際，日軍一些士兵甚至引槍自盡。神頭嶺伏擊戰打到中午的時候，只剩少數日軍轉移到民房內負隅頑抗，可是很快這股日軍就被我軍戰士消滅。
神頭嶺伏擊戰正在進行的時候，黎城日軍本打算出城救援，可惜他們剛出城門，就又遭到了三八六旅特務連的伏擊，這股日軍只好縮回城中。潞城守城日軍也打算派兵救援，可惜他們剛到神頭村以南，就被打得大敗而歸。
神頭嶺伏擊戰是八路軍圍點打援的經典戰例，此戰我軍共斃傷日偽軍1500餘人。這次戰役打出了八路軍三八六旅的威名，此次戰役也奠定了陳賡抗日名將的地位。神頭嶺之戰後，一二九師得以完全立足於晉西南。
關於神頭嶺伏擊戰，日軍方面評價也很高，據戰後日軍資料顯示，日本大本營甚至稱神頭嶺伏擊戰為一流的伏擊戰。日軍108師團的師團長下元熊彌對陳賡的評價也很高，戰後下元熊彌曾表示：神頭嶺伏擊戰是他進入中國後最恥辱的戰役。
