日军根本没想到会在神头岭遭到八路军的伏击，被打了个措手不及，阵脚大乱，死伤惨重。日军指挥官笹尾二郎中尉挥舞着指挥刀，亲自带领部队反击，结果刚冲出去没几步，就被八路军的机枪击毙。战斗约半小时后，陈赓命令预备队771团2营投入战斗，日军残部虽然利用汽车、死马作掩护，全力顽抗，但在八路军的猛烈攻击下，终于抵挡不住，一小股残部逃进了神头村，企图凭借这个十几户人家的小山村，据房固守等待后续援军。陈赓立即命令772团团长叶成焕不惜一切代价把村子拿回来！772团7连1排在排长蒲达义带领下，以迅猛的突击将立足未稳的日军赶出村外，但日军清楚，眼下也就只有这个小山村还可以作为依托，固守待援，所以随即组织反击，在村口与7连1排展开了激烈的拉锯战，幸亏叶成焕亲率8连及时赶到，才将这股日军消灭。
战至11时30分，除少数日军逃回潞城，其余全部被歼。
14时，潞城日军又出动200人来援，遭到了772团3营的坚决阻击，大部被歼，残部逃回潞城。
一流的游击战术
神头岭伏击战八路军宣布毙伤俘敌1500余人，毙伤和俘获骡马600余匹，缴获各种枪支550余枝，击毁敌汽车百余辆。自身伤亡240余人。
根据日军资料，当时从潞城出发的增援部队，是由三部分组成：一是由林清少尉率领的第16师团野炮第22联队第4大队辎重部队90人；二是由笹尾二郎中尉率领的第108师团第108联队第2中队辎重部队343人；三是由伊藤少尉率领的第108师团步兵第117联队第2中队第3小队52人，以及两名随军记者高桥正男、本多德治，总共是487人。在这批援军中，共战死399人，失踪8人，骡马损失314匹。
