徐向前的部署是投入129师385旅769团、386旅771团、772团共3个主力团，以769团和771团为伏击部队，除以小部队埋伏在路南山地脚下，阻止日军向路南逃窜，主力埋伏在公路以北后宽漳到杨家山一线。考虑到黎城日军兵力较大，而且东阳关又有日军据点，一旦伏击战打响，必然是日军主要的增援方向，所以将772团主力集结于马家拐，负责阻击由黎城、东阳关出援之敌，并派出小部队分别向东阳关和苏家峧担任警戒。虽然涉县距响堂铺更近，但日军兵力较小，即使出动增援，援军也不会太强，所以由769团派出4个连在椿树岭、河南店之间，阻击由涉县来援之敌。另外再派1个连进至杨家山东北的王堡，保障769团侧后安全。
129师主要是由原来红四方面军部队改编而来，徐向前曾经是红四方面军总指挥，在红四方面部队中享有很高的威望，所以参战部队听说这次战斗由徐向前来指挥，士气更是高昂。
部队接受任务后，立即开始进行思想动员和战前准备。考虑到当时部队中的绝大多数官兵从未见过汽车，对汽车的性能和特点都不了解，所以在战前准备中特地有针对性地进行了如何打汽车的作战要领介绍，首先是消灭汽车上的掩护人员，然后是打司机，最后是打汽车的油箱和轮胎。这些战前教育，虽然时间很短，但对指战员了解汽车的特点和打汽车的要领，在后来的战斗中确实起到了很好的作用。
3月26日，邓小平率129师师部从韩壁出发，经西营、下良，进驻佛堂沟。随后邓小平和徐向前便一起到769团进行了战前动员。不久接到确切情报，日军将在3月31日要从邯长公路运输大批辎重，徐向前副师长立即决定31日在响堂铺设伏，打掉日军这支运输队。
虚惊一场
根据31日进行伏击的部署，参战各部队从30日起陆续向预定地点开进。30日夜，徐向前带领参谋人员进入设在响堂铺路北后狄村小山坡上的前进指挥所，386旅的前进指挥所则设在后宽漳。31日凌晨1时，各部队全部进入预定阵地，隐蔽待机。伏击阵地大多是在背阴面，虽然已经是3月底，但坑坑洼洼里的积雪才刚刚开始融化，夜间气温还是比较低，又结了一层冰，战士们忍受着寒冷，一动不动地隐蔽着。伏击部队全部进入预定阵地后，徐向前要求："行动一定要绝对秘密，前卫队要大胆沉着，一定要把敌人全部放进口袋里，才能动手。后卫队要坚决顽强，坚决把口子堵住！何时封口、开口、冲锋，要服从指挥！"另外专门还派出1个排把住响党铺和前后宽漳村各路口，不准村民进出，以免暴露行动。
拂晓，徐向前接到772团报告：日军由东阳关出动200余人，正向苏家峧开进，同时还有骑兵正向侧后运动。请示是否撤出主力前去截击？如果这是日军发现设 伏后的包抄后路之举，确实非常危险，那就必须放弃这次伏击，另作打算。但是徐向前判断，如果日军真发现了设伏企图，想来个反包围，截断伏击部队的后路，不可能只派这么点部队。这点兵力只会"打草惊蛇"，根本不可能进行反包围。所以他认为不大可能是被日军发现，命令部队继续隐蔽潜伏，不得暴露。同时命令772团派1个营到庙上村以东高地，加强警戒，掩护伏击部队的右后方安全。此外派师部参谋到东阳关和苏家峧侦察核实，一定要把情况搞确实。
很快派去的参谋就回来报告，东阳关日军没有异常动静，所谓东阳关日军出动的200余步骑兵，是一群老百姓牵着几头驮驴在赶路。好一场虚惊，要是徐向前轻易听信不实报告而取消了这次伏击，那真是太可惜了。
教科书式的伏击
8时许，观察所就报告听到东阳关方向有汽车马达声，很快又报告日军汽车队已经从东阳关沿公路向东开来，随后又报告总共有180辆汽车。根据日军资料，这支日军是由森本浩少佐率领的第四兵站汽车队本部和2个汽车中队，总共400人(其中军官17人)，汽车169辆，配备有手枪39支，三八式步枪143支，三八式马枪98支，轻机枪2挺，重机枪1挺，掷弹筒4具。属于辎重部队的汽车队之所以会有轻重机枪和掷弹筒，是因为1938年初华北日军的汽车部队多次遭到中国军队伏击，为了加强汽车队的自身保护，日军给每个兵站的汽车队本部加配1挺重机枪和2具掷弹筒，给每个汽车中队的自卫小队加配了1挺轻机枪和1具掷弹筒。
当时771团的伏击位置在西，769团在东，考虑到769团抽出5个连负责对涉县的警戒任务，兵力相对不如771团，所以徐向前把180辆汽车中的后100辆交给771团，前80辆交给769团。
等到日军汽车队全部进入伏击圈，而且前80辆进入769团的伏击地点后，徐向前发出了攻击命令。这次伏击的是129师的2个主力团，装备在八路军中都算是比较精良的，不但有轻重机枪还有迫击炮，所以当攻击命令一下，迫击炮和轻重机枪就立即开火，再加上密集的手榴弹，几乎在一瞬间，就将在谷底的日军车队完全笼罩在猛烈的爆炸火光和尘烟之中。毫无防备的日军在这番猛烈而突然的打击下死伤惨重，一片混乱。
接着几十把军号一齐吹响冲锋号，八路军的伏击部队从北山发起了全面冲锋，用刺刀、大刀、红缨枪和日军展开白刃肉搏，日军根本无法抵抗，一部分在八路军的猛攻下向南山败退，又遭到南山脚下八路军的迎头痛击，彻底被打散。还不到两小时，除了少数人钻隙逃入南山外，大都被歼。
事先，八路军已经发动周围百姓，组织了大车和骡马，战斗一结束便迅速将车上物资搬运一空。由于八路军没有会驾驶汽车的，只好按照战前教育的方法，把汽车全部烧毁。等到下午日军出动飞机前来时，这里只剩下遍地的日军尸体和汽车残骸。
响堂铺的伏击打响后，驻守在黎城和东阳关的日军立即前来增援，但援军在马家拐遭到了772团的阻击，被击退。败退的日军回去后又会合从黎城出动的第二批援军，再次驰援响堂铺的运输队。结果在772团的顽强阻击下，又被击退。另外，涉县的日军也出动约200人分乘6辆汽车驰援，在椿树岭遭到769团的阻击部队，同样被击退。两路阻援部队的奋战，确保了响堂铺伏击战的顺利进行。
此次伏击，共毙伤日军森本少佐以下400余人，焚毁汽车181辆(包括在椿树岭阻击战中的战果)，缴获迫击炮4门、重机枪2挺、长短枪130余支，八路军伤亡317人。绝对是一次教科书式的经典伏击战。
经验与不足
对于这次伏击战，刘伯承曾有过非常精辟的评价，认为是伏击战的典型范例之一，总结了五条经验和一条教训。
五条经验是：第一侦察准确，判断正确。对日军运输队的行动侦察情报非常准确，为伏击的胜利奠定了基础。特别是在风传有日军包抄伏击部队后路时，徐向前沉着分析，正确判断这个消息不确切，没有动摇进行伏击的决心。
第二是伏击地区选择得好，师旅团各级干部都到实地看过地形，伏击地点的选择，不但便于隐蔽和出击，而且也便于撤离。
第三是伏击部署妥当，以2个团(欠5个连)进行伏击，以1个团又5个连负责阻援，而且在两个阻援方向上也是根据敌情，进行了有重点的部署。
第四是出击突然、猛烈、干脆，整个伏击行动，从出击到最后结束战斗，只用了不到两小时，一开始火力压制，以最猛烈的火力尽量杀伤日军，然后就是突击，毕竟八路军弹药补给有限，火力打击不可能持久。突击行动也是相当果敢干脆。
第五是撤退敏捷严整，由于情报得力，所以事先就组织了大量的群众，早就做好了搬运物资的准备，撤退组织严密。
唯一美中不足的，就是步炮协同动作差，迫击炮在步兵发起冲锋后没能及时延伸射击，结果造成了误伤，使步兵在自己炮火下伤亡20多人。这说到底是八路军炮兵太少，弹药也少，平时几乎没有步炮协同的训练，到了战时自然也就难免出现问题。就连美军这样的土豪人家，都少不了自己火力的误伤，更何况八路军了。
总体而言，响堂铺之战是八路军一次非常经典的伏击作战，将伏击战的要素--情报保障，地形选择，突击指挥，撤退组织，都发挥得淋漓尽致，堪称典范。
