1938年3月上旬，八路軍第129師奉命由正太鐵路附近行進到山西東南的襄垣地區，側擊由邯鄲經東陽關向潞城、長治進犯的日軍第108師團，並破壞東陽至長治的公路，以此來鉗制住日軍向黃河河防進攻。
黎城是侵華日軍第108師團的一個兵站，潞城是日軍第108師團的司令部所在地，布設有重兵把守，兩城之間是一片丘陵地帶，中間有濁漳河相隔。
面對裝備精良、不可一世的日軍，八路軍第129師師長劉伯承、政治委員鄧小平經過多方偵察，決定在黎城和潞城之間大做文章，重挫日軍的銳氣。
劉伯承和鄧小平決定采取 「吸打敵援」 的戰術，襲擊黎城，來調動潞城的日軍前往增援，並在途中利用有利地形設下埋伏，一舉殲滅敵人。
劉伯承和鄧小平把打擊敵人增援部隊的任務交給了陳賡指揮的八路軍第129師第386旅。
八路軍第386旅有一個綽號叫 「三子一郎部隊」 ，之所以有這個綽號，是因為：
旅長陳賡腿有傷殘，人稱「瘸子」；
政委王新亭高度近視，戴著眼鏡，人稱「瞎子」；
參謀長周希漢身材奇瘦，人稱「瘦子」；
副旅長陳再道號稱「拼命三郎」。
第386旅的指揮員中的三個「子」加上一個「郎」，這就是「三子一郎」的來歷。美國大使館武官卡爾遜曾經來到第386旅進行考察，他稱贊第386旅是 「中國最好的旅」 。
劉伯承利用敵人的慣性思維，反其道而行之，三天之內在七亙村這一個地點，由陳賡率領部隊連續伏擊了日軍兩次，讓狂妄的日軍吃了不小的苦頭，兩次伏擊戰共殲滅敵人約近500人。
按照傳統的作戰經驗，一條深溝，兩側高山，是打伏擊戰的再好不過的最佳地形。
很快，八路軍第386旅的指戰員們就循著這條思路，再次找到了一個絕佳的伏擊地點。
從國民黨軍提供的地圖上看，整條邯鄲至長治公路上，恰好有一處、也是唯一一處這樣的地形，它就是距離潞城12.5公裏的神頭嶺。
劉伯承和陳賡等指戰員們決定親自前往神頭嶺察看地形，等到他們爬上了神頭嶺，眼前的景象卻一下子讓他們都傻了眼。
地圖上顯示的公路根本不在溝底，而是鋪在幾公裏長的山梁上，山梁的寬度只有100多米，而且周邊還沒有樹木等隱蔽物，難以埋下伏兵。山梁北側則是一條大山溝，山溝的對面就是申家山，西面有一個10多戶人家的小村子神頭村。
很顯然，神頭嶺根本沒有辦法潛伏大部隊，並不是一個打伏擊的理想之地。
實地勘察地形的結果，讓大家極為沮喪，他們萬萬沒有想到，地圖上唯一一個適合打伏擊戰的地方，竟然會是這樣的情況，一時間，誰也想不出更好的辦法。
陳賡走近發現，公路兩邊還留有國民黨軍隊曾經挖掘的老戰壕，遠的戰壕距離公路有100多米，近的地方只有十幾米，而且日軍也很難想到八路軍會在公路兩邊的戰壕裏設下埋伏，他們的重火炮在如此近的距離很難發揮出威力。
盡管地形條件不是十分理想，反過來可能會有出奇不意的效果，經過一番利弊權衡，陳賡最終決定就在神頭嶺打伏擊。
3月16日淩晨4時，按照事先預定好的作戰計劃，八路軍第129師第385旅第769團負責突襲黎城。由於黎城內的日軍不多，他們又搞不清八路軍到底來了多少人，在慌亂中急忙向潞城等附近的日軍請求支援。
此前，陳賡就已經率領部隊連夜趕往神頭嶺，並按時達到了預定位置，乘著夜色潛伏了下來。
八路軍的鐵拳不僅要首先揮舞出去，而且還要結結實實地擊中日軍的要害，由於日軍的火力強大，八路軍必須盡量縮短接近敵人的時間，這也就意味著，設伏地點距離公路越近越好。
為此，部份戰士埋伏在路邊國民黨軍隊留下來的廢棄戰壕裏，為了避免引起日軍的懷疑，陳賡特別要求，不能挖動工事上的舊土，不小心踩倒的草也要朝順風方向扶起來。
一切正如八路軍第129師指揮部所預料的那樣，潞城內的日軍果然前來支援黎城。
上午9時許，從潞城出援的日軍開始進入神頭嶺，八路軍焦急地等待著敵人踏進伏擊圈。
但是，已經近在眼前的日軍大部隊卻突然停了下來，走在最前面的一隊騎兵離開公路，走上路邊的羊腸小道開始搜尋，離八路軍前沿埋伏的戰士不過10公尺左右。
當時的第772團團長葉成煥從望眼鏡中看去，負責搜尋的日軍馬蹄幾乎都要踩到八路軍伏兵的頭上了，可見雙方的距離如此之近。這個時候，只要是哪位八路軍戰士不小心發出一丁點聲音，就有可能導致整個伏擊戰的失敗。
幸運的是，負責警戒的日軍騎兵只顧盯著山溝對面的申家山，壓根沒註意不遠處的腳下戰壕裏。
其實，他們的懷疑並非是電洞來風，申家山確實埋伏了一支八路軍伏兵，陳賡在戰前特意把速度最快的第772團2營部署在申家山，要求他們在戰鬥打響之後，40分鐘內沖上公路。
日軍偵察騎兵搜尋了一會兒，沒有發現任何可疑的蹤跡，便指示後面的大部隊便繼續向前行軍，大搖大擺走上了神頭嶺。日軍完全沒想到八路軍竟然會埋伏在路邊的壕溝裏，他們經過這條公路不是一次兩次了，對這些日曬雨淋、長滿雜草的陳舊工事早就已經司空見慣。
9時30分，當走在最後面的日軍援兵也進入了伏擊圈時，隨著陳賡的一聲令下，埋伏在北側的第771團、西側的第772團、東側的補充團同時開火，三面夾擊。
根據劉伯承指示的戰法，第771團用槍打頭，第772團主力和補充團用刀刺胸，第772團3營用手榴彈炸屁股，這種策略果然十分奏效。
自從進入山西以來，侵華日軍幾乎是所向披靡，因此變得非常驕橫，他們認為中國軍隊只有一種本事厲害，那就是：逃跑。怎麽也不會想到竟然有部隊敢偷襲自己，對於八路軍這次突襲，日軍完全沒有心理準備，一時間被打蒙了，再加上戰場狹窄，日軍的重兵器難以展開，死傷慘重。
一名親眼目睹神頭嶺之戰的日本隨軍記者後來撰文回憶說：
「他們就埋伏在距離我們兩三米，最多百米的地方。戰鬥一開始，兩千人突然從身旁的工事中露出臉來，連被憎惡燃燒著，充滿仇恨的眼光都可清楚地看到，我們連喘息的機會都沒有。」
八路軍戰士一見到日本鬼子，各個都是殺紅了眼，一名戰士全身4處受傷，用毛巾紮著，臨死之前用盡最後一口氣，將手中的刺刀插在了敵人的肚子上。
遭到八路軍突襲的日軍增援部隊在短暫的慌亂之後，很快反應過來，開始組織還擊。雙方打了半個多小時，依然僵持不下。
就在關鍵的時刻，陳賡部署在申家山的772團2營也沖了過來，該營在紅軍時期就是有名的「摸夜常勝團」，以迅猛著稱，2營加入戰鬥後，八路軍很快將敵人壓制。
日軍被分割截成幾段，在抵抗了兩個多小時後，殘余部隊逃至神頭村內，利用村裏的房屋負隅頑抗。
戰鬥進行至下午16時，神頭嶺戰鬥勝利結束。日軍汽車部隊的一名伍長在日記裏寫道：
「（日軍）第108師團這樣的損失是從來沒有的，潞安到黎城的道上滿是鮮血，我們的部隊透過其間，真覺難過，禁不住流下滾滾的熱淚。」
神頭嶺伏擊戰，八路軍僅傷亡240多人的代價，共斃傷日軍1400余人，俘獲80余人，繳獲長短槍550余支，騾馬600余匹，以及大量的軍用物資，與日軍的傷亡比例約為1:6，給入侵晉東南的日軍以有力打擊。
不久後，日軍的隨軍戰地記者本多德治在日本的【東亞日報】發表了一則題為【脫險記】的訊息，回顧了神頭嶺之戰的全過程。在神頭嶺戰鬥打響後，本多德治躲進了一口窯洞，目擊了這場戰鬥的整個過程，給他留下印象最深的是八路軍使用的一種「神秘武器」。他在文章中寫道：
「神頭嶺之戰中國軍隊全勝，主要是遊擊戰，還有神秘武器。這種神秘武器是首次使用，形狀像長蛇，白頭，紅頸，黃肚皮，勇士們大部份吃虧在神秘武器上。」
日本人眼中的神秘武器究竟是什麽呢？
原來八路軍第386旅有3個連是新組建的，當地的不少老百姓為了保家衛國，紛紛投身八路軍，而他們手裏的裝備只不過是一桿紅纓槍而已，竟被日軍誤以為是一種「神秘武器」。
陳賡指揮的八路軍第386旅在七亙村、神頭嶺、響堂鋪連續打了幾個漂亮仗，給予了日軍沈痛的教訓。此後，日軍在裝甲車上用中文寫上了一條標語：「專打386旅」。
八路軍第386旅政委王新亭則說道： 「這條標語是對我們的高級評語」 。
全國解放以後，中國的軍校把神頭嶺伏擊戰作為一個模範戰例，並列入教材來學習，甚至美國的西點軍校也把神頭嶺之戰作為一個典型的戰例來研究。
神頭嶺伏擊戰過去了一年後，著名作家吳伯蕭重訪故地，並寫下散文【神頭嶺】，其中有這樣一句：
「神頭嶺成了日寇的傷心嶺，我們的勝利嶺，八路軍到哪裏，日本侵略者就得死在哪裏。」
1988年3月16日，在神頭嶺大捷50周年紀念日，潞城縣人民政府在當年的戰場上建起了一座紀念碑，正面是徐向前元帥題寫的碑名 「神頭之戰紀念碑」 ，它鐫刻著中國人民寧死不屈的誌氣，堅強無畏的勇氣，以及敢打必勝的壯誌豪情。
