1938年3月上旬，八路军第129师奉命由正太铁路附近行进到山西东南的襄垣地区，侧击由邯郸经东阳关向潞城、长治进犯的日军第108师团，并破坏东阳至长治的公路，以此来钳制住日军向黄河河防进攻。
黎城是侵华日军第108师团的一个兵站，潞城是日军第108师团的司令部所在地，布设有重兵把守，两城之间是一片丘陵地带，中间有浊漳河相隔。
面对装备精良、不可一世的日军，八路军第129师师长刘伯承、政治委员邓小平经过多方侦察，决定在黎城和潞城之间大做文章，重挫日军的锐气。
刘伯承和邓小平决定采取 「吸打敌援」 的战术，袭击黎城，来调动潞城的日军前往增援，并在途中利用有利地形设下埋伏，一举歼灭敌人。
刘伯承和邓小平把打击敌人增援部队的任务交给了陈赓指挥的八路军第129师第386旅。
八路军第386旅有一个绰号叫 「三子一郎部队」 ，之所以有这个绰号，是因为：
旅长陈赓腿有伤残，人称「瘸子」；
政委王新亭高度近视，戴着眼镜，人称「瞎子」；
参谋长周希汉身材奇瘦，人称「瘦子」；
副旅长陈再道号称「拼命三郎」。
第386旅的指挥员中的三个「子」加上一个「郎」，这就是「三子一郎」的来历。美国大使馆武官卡尔逊曾经来到第386旅进行考察，他称赞第386旅是 「中国最好的旅」 。
刘伯承利用敌人的惯性思维，反其道而行之，三天之内在七亘村这一个地点，由陈赓率领部队连续伏击了日军两次，让狂妄的日军吃了不小的苦头，两次伏击战共歼灭敌人约近500人。
按照传统的作战经验，一条深沟，两侧高山，是打伏击战的再好不过的最佳地形。
很快，八路军第386旅的指战员们就循着这条思路，再次找到了一个绝佳的伏击地点。
从国民党军提供的地图上看，整条邯郸至长治公路上，恰好有一处、也是唯一一处这样的地形，它就是距离潞城12.5公里的神头岭。
刘伯承和陈赓等指战员们决定亲自前往神头岭察看地形，等到他们爬上了神头岭，眼前的景象却一下子让他们都傻了眼。
地图上显示的公路根本不在沟底，而是铺在几公里长的山梁上，山梁的宽度只有100多米，而且周边还没有树木等隐蔽物，难以埋下伏兵。山梁北侧则是一条大山沟，山沟的对面就是申家山，西面有一个10多户人家的小村子神头村。
很显然，神头岭根本没有办法潜伏大部队，并不是一个打伏击的理想之地。
实地勘察地形的结果，让大家极为沮丧，他们万万没有想到，地图上唯一一个适合打伏击战的地方，竟然会是这样的情况，一时间，谁也想不出更好的办法。
陈赓走近发现，公路两边还留有国民党军队曾经挖掘的老战壕，远的战壕距离公路有100多米，近的地方只有十几米，而且日军也很难想到八路军会在公路两边的战壕里设下埋伏，他们的重火炮在如此近的距离很难发挥出威力。
尽管地形条件不是十分理想，反过来可能会有出奇不意的效果，经过一番利弊权衡，陈赓最终决定就在神头岭打伏击。
3月16日凌晨4时，按照事先预定好的作战计划，八路军第129师第385旅第769团负责突袭黎城。由于黎城内的日军不多，他们又搞不清八路军到底来了多少人，在慌乱中急忙向潞城等附近的日军请求支援。
此前，陈赓就已经率领部队连夜赶往神头岭，并按时达到了预定位置，乘着夜色潜伏了下来。
八路军的铁拳不仅要首先挥舞出去，而且还要结结实实地击中日军的要害，由于日军的火力强大，八路军必须尽量缩短接近敌人的时间，这也就意味着，设伏地点距离公路越近越好。
为此，部分战士埋伏在路边国民党军队留下来的废弃战壕里，为了避免引起日军的怀疑，陈赓特别要求，不能挖动工事上的旧土，不小心踩倒的草也要朝顺风方向扶起来。
一切正如八路军第129师指挥部所预料的那样，潞城内的日军果然前来支援黎城。
上午9时许，从潞城出援的日军开始进入神头岭，八路军焦急地等待着敌人踏进伏击圈。
但是，已经近在眼前的日军大部队却突然停了下来，走在最前面的一队骑兵离开公路，走上路边的羊肠小道开始搜索，离八路军前沿埋伏的战士不过10米左右。
当时的第772团团长叶成焕从望眼镜中看去，负责搜索的日军马蹄几乎都要踩到八路军伏兵的头上了，可见双方的距离如此之近。这个时候，只要是哪位八路军战士不小心发出一丁点声音，就有可能导致整个伏击战的失败。
幸运的是，负责警戒的日军骑兵只顾盯着山沟对面的申家山，压根没注意不远处的脚下战壕里。
其实，他们的怀疑并非是空穴来风，申家山确实埋伏了一支八路军伏兵，陈赓在战前特意把速度最快的第772团2营部署在申家山，要求他们在战斗打响之后，40分钟内冲上公路。
日军侦察骑兵搜索了一会儿，没有发现任何可疑的踪迹，便指示后面的大部队便继续向前行军，大摇大摆走上了神头岭。日军完全没想到八路军竟然会埋伏在路边的壕沟里，他们经过这条公路不是一次两次了，对这些日晒雨淋、长满杂草的陈旧工事早就已经司空见惯。
9时30分，当走在最后面的日军援兵也进入了伏击圈时，随着陈赓的一声令下，埋伏在北侧的第771团、西侧的第772团、东侧的补充团同时开火，三面夹击。
根据刘伯承指示的战法，第771团用枪打头，第772团主力和补充团用刀刺胸，第772团3营用手榴弹炸屁股，这种策略果然十分奏效。
自从进入山西以来，侵华日军几乎是所向披靡，因此变得非常骄横，他们认为中国军队只有一种本事厉害，那就是：逃跑。怎么也不会想到竟然有部队敢偷袭自己，对于八路军这次突袭，日军完全没有心理准备，一时间被打蒙了，再加上战场狭窄，日军的重兵器难以展开，死伤惨重。
一名亲眼目睹神头岭之战的日本随军记者后来撰文回忆说：
「他们就埋伏在距离我们两三米，最多百米的地方。战斗一开始，两千人突然从身旁的工事中露出脸来，连被憎恶燃烧着，充满仇恨的眼光都可清楚地看到，我们连喘息的机会都没有。」
八路军战士一见到日本鬼子，各个都是杀红了眼，一名战士全身4处受伤，用毛巾扎着，临死之前用尽最后一口气，将手中的刺刀插在了敌人的肚子上。
遭到八路军突袭的日军增援部队在短暂的慌乱之后，很快反应过来，开始组织还击。双方打了半个多小时，依然僵持不下。
就在关键的时刻，陈赓部署在申家山的772团2营也冲了过来，该营在红军时期就是有名的「摸夜常胜团」，以迅猛著称，2营加入战斗后，八路军很快将敌人压制。
日军被分割截成几段，在抵抗了两个多小时后，残余部队逃至神头村内，利用村里的房屋负隅顽抗。
战斗进行至下午16时，神头岭战斗胜利结束。日军汽车部队的一名伍长在日记里写道：
「（日军）第108师团这样的损失是从来没有的，潞安到黎城的道上满是鲜血，我们的部队通过其间，真觉难过，禁不住流下滚滚的热泪。」
神头岭伏击战，八路军仅伤亡240多人的代价，共毙伤日军1400余人，俘获80余人，缴获长短枪550余支，骡马600余匹，以及大量的军用物资，与日军的伤亡比例约为1:6，给入侵晋东南的日军以有力打击。
不久后，日军的随军战地记者本多德治在日本的【东亚日报】发表了一则题为【脱险记】的消息，回顾了神头岭之战的全过程。在神头岭战斗打响后，本多德治躲进了一口窑洞，目击了这场战斗的整个过程，给他留下印象最深的是八路军使用的一种「神秘武器」。他在文章中写道：
「神头岭之战中国军队全胜，主要是游击战，还有神秘武器。这种神秘武器是首次使用，形状像长蛇，白头，红颈，黄肚皮，勇士们大部分吃亏在神秘武器上。」
日本人眼中的神秘武器究竟是什么呢？
原来八路军第386旅有3个连是新组建的，当地的不少老百姓为了保家卫国，纷纷投身八路军，而他们手里的装备只不过是一杆红缨枪而已，竟被日军误以为是一种「神秘武器」。
陈赓指挥的八路军第386旅在七亘村、神头岭、响堂铺连续打了几个漂亮仗，给予了日军沉痛的教训。此后，日军在装甲车上用中文写上了一条标语：「专打386旅」。
八路军第386旅政委王新亭则说道： 「这条标语是对我们的高级评语」 。
全国解放以后，我国的军校把神头岭伏击战作为一个模范战例，并列入教材来学习，甚至美国的西点军校也把神头岭之战作为一个典型的战例来研究。
神头岭伏击战过去了一年后，著名作家吴伯萧重访故地，并写下散文【神头岭】，其中有这样一句：
「神头岭成了日寇的伤心岭，我们的胜利岭，八路军到哪里，日本侵略者就得死在哪里。」
1988年3月16日，在神头岭大捷50周年纪念日，潞城县人民政府在当年的战场上建起了一座纪念碑，正面是徐向前元帅题写的碑名 「神头之战纪念碑」 ，它镌刻着中国人民宁死不屈的志气，坚强无畏的勇气，以及敢打必胜的壮志豪情。
