1938年3月上旬，第一二九师奉八路军总部命令，由正太铁路附近进至晋东南的襄垣地区，侧击由邯郸经东阳关向潞城、长治进犯的日军第一○八师团，并破坏东阳关至长治的公路。黎城是日军在邯郸至长治公路线上的重要兵站基地，潞城有日军重兵据守，两城之间为丘陵，并有浊漳河相隔。第一二九师师长刘伯承、政治委员邓小平决心利用这一有利地形，袭击黎城，调动潞城日军出援而于途中将其伏击歼灭。刘伯承称之为“吸打敌援”的战术：袭击是手段，伏击才是目的。
经过现地勘察，刘伯承确定了兵力部署：以第三八五旅第七六九团袭击黎城，并阻击涉县出援的日军；以第三八六旅在潞河村与微子镇之间的神头村以西山岭设伏，歼灭潞城出援的日军。据此，第三八六旅旅长陈赓率部于16日拂晓前沿神头岭上公路三面设伏。
3月16日4时，第七六九团第一营袭入黎城城内与日军展开激战，歼敌百余人，于拂晓前主动撤出城外，向西北乔家庄转移。同时，第七六九团主力在东黄须、西黄须击退由涉县驰援的日军；第七七一团特务连烧毁赵店镇公路大木桥，切断了黎城、潞城之间的交通。黎城受袭，潞城日军即以第十六师团辎重部队林清队和第一○八师团辎重部队屉尾队，以及自卫队、骑兵共1500余人向黎城增援。8时30分，其先头分队的两辆汽车、20余名骑兵通过神头岭，因赵店镇公路桥已毁，被阻于浊漳河边。9时，其本队进至神头岭地区，虽进行了侦察，却未发现隐蔽于公路两侧沟渠草丛中的设伏部队。
9时30分，当日军全部进入伏击地域时，埋伏于神头岭北侧的第七七一团从正面出击；埋伏于公路西侧的第七七二团和东侧的补充团实施夹击，将日军截成数段，展开白刃格斗。日军遭到突然袭击，顿时陷入混乱，且由于狭窄地形限制，兵力兵器难以展开，死伤惨重，队长屉尾中尉被当场击毙。日军残部逃至神头村内，凭借房屋、窑洞负隅顽抗。第三八六旅立即组织强攻。战至11时30分，日军除百余人逃回潞城外，其余全部被歼，浊漳河南岸的日军亦被第七七一团特务连歼灭。由黎城出援的日军，被阻于浊漳河北岸。由潞城两次出援的日军数百人，被第七七二团歼灭一部后撤逃。16时，战斗结束。
此战，八路军第一二九师伤亡240余人，毙伤日军1500余人，俘获8人，缴获长短枪550余支、骡马600余匹及大批军用物资，给侵入晋东南的日军以有力打击。
日军汽车部队的一名伍长在日记中写道：“第一○八师团这样的损失是从来没有的。”一名从战地侥幸逃脱的日本《东奥日报》随军记者写了一篇《脱险记》的通讯，称神头岭之战是八路军的“典型游击战术”。
