1938年3月，八路军第129师奉总部命令，侧击由邯郸经东阳关向潞城、长治进犯的日军第108团。黎城是日军在邯郸至长治公路线上的重要兵站基地，潞城则有日军重兵据守，两城之间有浊漳河相隔。师长刘伯承、政委邓小平决定采用“吸打敌援”的战术，以385旅769团为左翼袭击黎城，以陈赓旅长的386旅为右翼在潞河村与微子镇之间设伏，歼灭潞城出援的日军。
战前，师部并未给陈赓设定详细的伏击战场。3月3日，在接到命令后，陈赓主持召开了386旅团以上指挥员作战会议，讨论具体的伏击点和兵力部署，决定在神头岭伏击日军。会后，陈赓带领10多个人骑马去看地形和道路。
幸亏这一次去了，发现实地跟图上大不一样。图上显示公路在沟底，公路两边有山梁，可现地是公路不在沟底而在山梁上，山梁宽一二百米，路的两边没有任何隐蔽物，仅有一些国民党军队残留的破旧工事。看到这一切，有的同志心里发急，心想，这样的地形不利于打伏击呀！只见陈赓一个人低着头，在那些废弃的工事边走来走去，细细打量，认真地记录着什么，时不时地皱起眉头凝望远方。
晚上回来会议继续进行。等大家发表一通意见后，陈赓站起来说：“我看，这一仗还要在神头岭打。”“神头岭？！”大家都不相信自己的耳朵，异口同声地喊了出来。“对，就在神头岭打！”陈赓接着说：“一般来看，神头岭确实不是一个打伏击的好地方，我们这样认为，敌人肯定也会这样认为。地形不险要，敌人就会麻痹，这正是我们出其不意地伏击敌人的好地方。当然，打伏击嘛，要是有隐蔽接敌的地形那是最好，虽然那儿没有这些，但有国民党军队给我们留下的破旧工事，近的离公路几十米，最远也不过100来米，鬼子对这些东西早已司空见惯了，如果我们把部队提前隐蔽到工事里，敌人有可能发现不了。山梁狭窄，不利于我军展开，也不利于敌人展开。大家说说，在独木桥上打架对谁更有利？”
旅长一席话，会场上立刻沸腾了起来。771团团长徐深吉说：“这还用说，谁先下手谁占便宜呗！”补充团团长韩东山高兴地说：“对呀，只要我们猛地杀出来，一定能把鬼子杀得落花流水，屁滚尿流。”陈赓转身问772团团长叶成焕：“如果把你的2营放在申家山，战斗打响以后，40分钟之内能不能冲到公路上来？”只见叶团长胸脯一拍，大声说：“没问题！要不了40分钟，半个钟头就够了！”
听到这里大家心里都明白了，陈旅长的部署是：利用破旧工事在公路一侧设伏，战斗打响以后再让2营快速运动，绕过大沟，从另一侧攻击敌人，形成两面夹击之势，把鬼子堵在狭长的公路上，痛打猛揍。这时，细心的陈赓又想到另一个问题，潞城的日军有3000多，如果倾巢而出，我们“啃下来”的难度太大，说不定还会使自己陷入被动。便转身对叶成焕说：“你马上派一个连，绕到潞城去开展游击，以分散鬼子的兵力。”
3月16日凌晨，担任“钓鱼”任务的769团开始对黎城发起攻击。同时，陈赓率领386旅主力进驻神头岭，埋伏在路边的工事内。上午8 时，1500多日军到达了微子镇，陈赓得知这一消息，知道那个游击连显威风了，要不然，敌人不会只来这么多！8时半，日军到了神头村前，突然停了下来，派一支骑兵小分队沿一条放羊小路向772团1营的预伏阵地走去。20米、15米、8米……好险！
鬼子的马蹄在快要踩到战士们头上的时候停了下来，潜伏部队所有人的心都提到了嗓子眼，空气好像凝固了一样。然而，正像战前陈旅长预想的那样，鬼子的目光一直停留在远方的申家山，对脚下的“情况”连看都没有看一眼。鬼子做梦也不会想到，我军会在他们的“蹄子底下”打伏击。日军未见异常，便大摇大摆地继续前进。
9时半，日军全部进入伏击圈，陈赓发出攻击命令。刹那间，平静的山梁变成了喷发的火山，386旅的3个团从三面向敌人发起了攻击，手榴弹雨点般地落在了日军的队伍里，枪炮声、爆炸声响成一片；横飞的弹片、闪闪的火光、弥漫的硝烟、滚滚的黄土一起汇成了愤怒的火龙，把鬼子连同整条公路都吞没了。
打这样的伏击战炮兵最过瘾。以前作战，炮兵都是在步兵后面用间瞄射击，看不到炮弹炸敌的景象。这次不同了，炮兵跟步兵在一起，都在废弃的工事里，能直接看到敌人炸死的惨状，炮手们个个精神抖擞，斗志昂扬，越发打得准。
日军方知上当，但公路狭窄根本展不开，呼喊声、马叫声乱作一团。毕竟，日军是在武士道精神毒化下的兽兵，虽然到了绝望的地步，但还在做垂死的挣扎。一位日军少佐抽出军刀指挥反抗，一发迫击炮弹落在他的身边，轰的一声化作一团血雨。日军有的趴在地上进行还击，有的滚进水沟里掩身，有的以死马为掩体进行顽抗，有的则被吓破了胆。自从侵入中国以来，他们哪里见过如此英勇的军队，哪里遇到过如此的绝境！ 当日军伤亡过半时，我386旅的勇士们高呼着冲了上去，与日军展开了肉搏战，日军大部分成了刀下鬼。一小股日军向西逃窜，逃到神头村后，利用民房和窑洞进行抗击，想固守待援。陈赓发现后命令紧靠村子的一个排：“立刻把村子夺回来！”
这个排是蒲达义率领的，向来以勇猛善战而威名远扬，这一次他们同样也没有辜负旅长的期望。他们用机枪火力作掩护，一个班从正面攻，两个班从侧面攻，一个猛冲，连续攻占两幢民房，以伤亡5人的代价打死打伤十几个日军，硬是把日军赶出了村子。散落在旷野的日军像受了惊的羊群，四处逃散。11时半，除 100多个日军逃回潞城之外，1400多日军被消灭，还俘虏8人，缴获长短枪550余支。第129师伤亡240余人。
神头岭伏击战是八路军继平型关、广阳伏击战后进行的又一次较大规模的歼灭战。日本随军记者也不得不称此战是八路军第129师的“典型游击战术”。刘伯承对神头岭的伏击战术作了精辟的分析：“这次采用‘吸打敌援’的战术。袭击黎城驻守之敌，以吸引涉县、潞城两地敌人来援，在必经之路东、西黄须和神头岭予以伏击。袭击是手段，伏击才是目的。”