後來的戰鬥情況，果然與陳賡預料的完全一樣。一個僥幸漏網的日軍隨軍記者，在記述神頭嶺伏擊戰時寫道：“他們就埋伏在距我們二三米，最多百米的地方。戰鬥一開始，一兩千人突然從身旁的工事中露出臉來，連他們那些燃燒著的充滿仇恨的眼光，都可清楚地看到，我們連喘息的機會都沒有。”
那麼，敵人是怎樣一步步進入我軍伏擊圈的呢？
我方部隊為了切實隱蔽好，達到出奇製勝的目的，戰前進行了充分的準備。指揮員要求各部隊不要挖動工事上的舊土，踩倒的草一定要順著風向扶起來。3月16日，佯打黎城的戰鬥打響，駐守潞城的日軍果然派出主力部隊，經神頭嶺向黎城進發。日軍先頭搜索部隊是個騎兵小隊，眼看他們一步步接近工事，馬上就要踩到戰士的頭上了，大家心裏都有點兒緊張。但是，正如陳賡所預料的，敵人隻注意了遠處，對於腳下那些見慣了的工事，根本沒有放在眼裏。見沒動靜，便繼續前進，後麵的大隊人馬，隨即沿公路跟了上來。
當日軍大搖大擺地進入我伏擊圈後，386旅的772團指揮所發出了攻打的信號。彈指間，平靜的山梁，變成了一座火山，成百成千的手榴彈在鬼子們的腳下炸裂。戰士們從工事裏、草叢裏奔跑出來，衝進敵群，向敵人奮勇砍殺，一下子把敵人打得暈頭轉向。
但是，日軍的這支增援部隊裝備精良，戰鬥力極強，特別是它還包括日軍第16師團的精銳部隊，而八路軍的武器裝備遠不及日軍，而且第386旅還有三個新組建的連隊，這些新戰士幾乎都是拿著紅纓槍。
就在敵我雙方激戰時，敵人也清醒了，想展開兵力，又由於山梁狹窄，根本排不成戰鬥隊形，火力也無法施展，隻能就地頑抗。整個戰鬥從拂曉開始，到當日下午4點結束。我軍殲滅1500多日軍，繳獲長短槍550餘支、騾馬600餘匹，以及其他大批軍用物資，而我軍隻付出240多人的傷亡代價。
神頭嶺戰鬥是一次漂亮的伏擊戰，就連日軍統帥部也不得不稱之為八路軍的“典型的遊擊戰”。此戰後，日軍曾在自己的裝甲車上專門用中文寫下了“專打386旅”的標語，可見這一戰帶給日軍的威懾力是多麼巨大。
全國解放以後，我國的許多軍事院校都把神頭嶺之戰作為一個模範戰例列入教材來學習，甚至於美國的西點軍校還把神頭嶺之戰作為一個典型戰例來研究。
1988年3月16日，是神頭嶺大捷50周年，潞城市在當年戰地建了一座高15.8米的“神頭嶺之戰紀念碑”，紀念碑正麵是徐向前元帥題寫的碑名，背麵為碑文。高高的紀念碑，鐫刻的是中國人寧死不屈的誌氣，勇敢無畏的勇氣。