太原会战结束后，日军已经控制山西正太铁路沿线的交通点，因为国民党的大溃败，日军主力得以进入晋东南。1938年2月，华北日军开始发起徐州战役，为了配合津浦路方面的日军作战，日军驻山西方面的主力20师团、14师团、16师团、108师团等打算沿着平汉路和同蒲路进攻八路军一二九、一一五师驻扎的晋西南地区。
日军第16和20师团等一部，向晋西发起了进攻，根据日本大本营制定的战略，日军这次主要目标是消灭驻扎在晋西北的八路军一一五师，为了配合八路军一一五师在晋西进行的反围攻，八路军总部命令一二九师在正太路沿线进行阻击。
接到八路军总部的命令后，一二九师师长刘伯承心急如焚，因为日军这次出动的军队人数要比以往多，所以这让刘伯承感到非常棘手。为了粉碎日军的阴谋，刘伯承连夜找来了一二九师旅以上干部开会，会上刘伯承与李达等人制定了歼敌任务，他认为要想减少日军对晋西一一五师所造成的伤亡，有必要吸引日军主力进行决战，可是因为八路军装备差，所以他打算利用独立自主的山地游击战来打击敌人。按照刘伯承等人的部署，八路军一二九师应先在井陉和旧关之间寻机歼灭敌人，然后转移至武乡一带，破坏敌人的补给线。等到敌人回援武乡、襄垣时，我军再转移至邯长公路沿线，并在邯长公路一带彻底聚歼顽敌。
刘伯承的军事策略可谓高明，因为八路军装备差，一二九师官兵就有必要避其锋芒，不过要想完成策应一一五师的任务，一二九师就需要大量杀伤敌人。
1938年3月，一二九师全体官兵根据刘伯承的指示，终于迂回至邯长公路沿线。当时，邯长公路两线的黎城和涉县都是日军的重要据点，这两地与日军108师团辎重部队驻扎的潞城相距不过百里，因为这两个据点是日军前线部队的重要补给站，一二九师便打算在这一地区寻机歼敌。
潞城、涉县和黎城三城之间联系紧密，八路军要想在该地大量歼敌，需要费一番周折。根据敌人攻打一处、两处必援的特点，八路军三八六旅旅长陈赓当即决定：围城打援。
围城打援，怎么个围法，又怎么个打法呢？陈赓与三八六旅的官兵便展开了讨论。会上，陈赓看着国民党下发的地图发呆，按照国民党给的地图，似乎邯长公路沿线的神头村更适合伏击。按照地图所示，邯长公路从神头村沟底通过，两边沟壑纵横，很适合打伏击。不过，陈赓一直对国民党的地图有所怀疑，所以他决定亲自去实地戡察。
会议结束后，陈赓带着王近山、叶成焕等团长来到了神头村，当他们看到神头岭的地形后，当即傻眼了。原来，邯长公路并没有从神头村沟底通过，相反，公路线竟然在岭上。看到这种情况，一些团长、政委非常恼火，不过陈赓在这个时候却很镇静，他仔细勘察了神头岭的地形，终于发现了适合伏击的地点。原来，在神头岭土坎两旁，留有国民党军队挖掘的旧工事。如果八路军稍加利用，该地完全可以成为伏击的最佳地点。伏击地点已经确定，陈赓便迅速布置任务。三八六旅不愧是一二九师的主力部队，在陈赓的指挥下，全旅官兵很快就埋伏在了神头岭的周围。
伏击的地点已经确定，下一个问题，就是先打哪个据点。黎城、涉县、潞城，只有黎城驻军最少，叶成焕等团长认为围攻黎城，然后在神头岭伏击其增援部队，陈赓同意了这个方案，于是全旅上下严阵以待。
1938年3月16日，我八路军三八六旅769团开始向黎城发起进攻，同日769团1营突入城内，与敌展开巷战。听到黎城遭遇围攻，潞城、涉县两地的日军很快进行增援。769团得到日军增援的消息，主动撤出了黎城，为了防止黎城守军出逃，769团又在撤退的途中循次阻击敌人，黎城守敌出城不得，只好龟缩至城内。
黎城日军受阻，潞城、涉县两地的敌人还蒙在鼓里。3月16日上午，涉县敌军进入我军埋伏圈，因为敌人发现了我军的踪迹，所以涉县援敌首先发起了进攻，我八路军769团2营立刻给予还击。在这次战斗中，日军的一个中队长被我军击毙，其它日军看到中队长“玉碎”后，坐着汽车仓皇逃回了涉县。
经过769团的打击，黎城、涉县日军已经不敢外出支援，他们只能龟缩至城内，进行零星的抵抗。潞城驻扎的是日军108师团的辎重部队，108师团是日军侵略山西的主力，该师团在对阵国民党军队时，鲜有败绩，这次108师团在听到黎城被围后，立刻调集了一千五百多人的辎重部队救援黎城。陈赓为了对付潞城援军，几乎也动用了三八六旅的全部主力。
伏击潞城日军的是三八六旅的主力部队771团和772团，其中，这两个团的团长叶成焕、王近山都是久经沙场的名将。当潞城日军进入神头村后，叶成焕立刻派出部队将潞城日军拦腰斩断，而后771团、772团和补充团向日军发起突击。
三个团同时向日军发起突击，日军顿时慌作一团，据事后幸存的日军回忆，神头岭伏击战日军打着很艰苦，当时771团2营官兵冲入了敌阵，与日军展开了白刃战。在两军对垒中，这名日军战士看到自己的中队长发出一声绝望的呼声后，便引刀自尽。
神头岭伏击战的关键时刻，王近山、叶成焕等团长甚至亲自上阵，他们抡着大刀与日军展开肉搏。在这次战役中，王近山非常勇猛，他一人就斩杀了六名日军士兵。
潞城日军从没有遇到过这么顽强的部队，在绝望之际，日军一些士兵甚至引枪自尽。神头岭伏击战打到中午的时候，只剩少数日军转移到民房内负隅顽抗，可是很快这股日军就被我军战士消灭。
神头岭伏击战正在进行的时候，黎城日军本打算出城救援，可惜他们刚出城门，就又遭到了三八六旅特务连的伏击，这股日军只好缩回城中。潞城守城日军也打算派兵救援，可惜他们刚到神头村以南，就被打得大败而归。
神头岭伏击战是八路军围点打援的经典战例，此战我军共毙伤日伪军1500余人。这次战役打出了八路军三八六旅的威名，此次战役也奠定了陈赓抗日名将的地位。神头岭之战后，一二九师得以完全立足于晋西南。
关于神头岭伏击战，日军方面评价也很高，据战后日军资料显示，日本大本营甚至称神头岭伏击战为一流的伏击战。日军108师团的师团长下元熊弥对陈赓的评价也很高，战后下元熊弥曾表示：神头岭伏击战是他进入中国后最耻辱的战役。