出其不意的伏击
3月15日21时，386旅开赴伏击地区。16日2时，到达神头岭地区，以第771团主力埋伏在张庄、王家庄以东公路两侧，以2营位于申家山，作为预备队；团特务连前出至潞河村，向黎城方向警戒，并破坏赵店木桥，断敌交通，确保主力歼敌；以第772团主力埋伏在1187高地和神头村西侧，作为伏击战的主力，以第3营(欠1个连)在李家庄以东，准备适时出击，断敌退路；以3营1个连前出至潞城东北1505高地，袭扰潞城日军，使其不敢倾巢出援；另外以1个排在余庄，警戒主力侧后安全；以补充团埋伏在薛家庄、安南岭以西地区，从公路东侧突击。此外还派出便衣侦察员二十余人至潞城西南活动，严密监视日军。
部队进入伏击地点后，就隐蔽在公路旁国民党军遗留下的残破工事里，在隐蔽时特别要求不能挖动旧工事上的陈土，踩倒的草一定要顺着风向扶起来，严格进行隐蔽伪装。
3月16日4时，八路军第769团1营袭击黎城，与日军展开激战。由于1营的攻击声势很大，黎城日军认为是遭到了八路军主力的进攻，随即向潞城、涉县日军求救。天亮后在得知潞城、涉县日军均已出动增援，1营就主动撤出战斗。
涉县日军出动约200人乘汽车来援，刚过东阳关，便遭到769团主力的阻击，经过一番战斗后，被迫退回涉县。
潞城日军得知黎城被袭，随即派出了增援。8时30分，增援部队的先头分队乘汽车2辆，沿公路通过386旅的设伏地区向黎城开去，伏击部队将该敌放过。此时，赵店木桥已被771团特务连焚毁，这股先头部队因此被阻于浊漳河南岸，后来也被771团特务连消灭。
9时，日军增援部队的主力乘着汽车进至神头村，稍事休息后，继续向黎城开去。虽然沿途日军也对附近进行了侦察搜索，但由于八路军设伏部队坚定沉着，严密伪装隐蔽，日军丝毫没有发觉就在公路边几十米的地方隐蔽着八路军主力。
9时30分，日军完全进入设伏地区，根据统一信号，伏击部队突然开火，771团拦头，772团3营断尾，772团主力和补充团从公路两侧向日军猛烈攻击，顿时将日军截为数段。由于隐蔽点距离公路才不过几十米，所以八路军的手榴弹可以很轻松地投到日军头上，接着机枪步枪一起开火，密集的火力几乎覆盖了整个日军车队。
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。
另外，八路军和日军资料还有一处不同的是，八路军提到日军有骑兵参战，而日军资料参战的全部都是步兵。
当然，就是以日军的伤亡数据来算，再加上769团袭击黎城、阻击涉县出援日军以及后来阻击潞城第二批援军的战果，消灭日军也至少是在1000左右。即使是按照日军自己的数据，一次战斗400人的损失也是108师团自开战以来从未有过的，被108师团认为是奇耻大辱。这一战后，108师团在军车上刷上"专打386旅"的标语，算是叫阵，或者更确切说是安慰一下自己受伤的心灵。
为了发泄这次惨败的怒火，于3月17日，也就是伏击战的次日，潞城日军血洗了神头村，屠杀了无辜百姓137人，将神头村烧成一片赤地。
神头岭伏击战是129师在长生口伏击之后，又一次采取攻点打援战法所取得的辉煌胜利。取胜的关键，一是攻点就是打在日军所必救的要点之上，完全调动了日军按照八路军的设想来增援。二是伏击地点的选择，一反常规的是在没有任何隐蔽物的狭窄公路上，将部队隐蔽在日军每天司空见惯的路边破旧工事中，收到了出其不意的效果。所以说，攻击点选择准确，伏击点选择精妙，是这次伏击战的致胜之道，也充分体现了八路军游击战的精髓。就连日军也不得不承认，神头岭伏击战是"支那一流的游击战"。
