潞城之敌得知黎城被袭，随即抽调步骑兵一千五百余人向黎城增援。8时30分，敌先头分队乘汽车2辆和骑兵20余人，沿公路通过我设伏地区向黎城开去，我伏击部队将该敌放过。此时，赵店木桥已被我焚毁，该敌被阻于浊漳河南岸。
9时，敌主力纵队先头进至神头村，稍事停顿，并派骑兵向附近侦察搜索，由于我设伏部队坚定沉着，伪装良好，隐蔽严密，敌军没有发觉。
9时30分，敌继续前进，当敌主力完全进入我设伏区后，我各部队按照统一信号，向敌突然开火，发起冲击。第771团拦头，第772团第3营断尾，第772团主力和补充团从公路两侧向敌突击，顿时将敌截为数段。敌在我突然打击下，阵脚大乱，指挥失措，四处奔逃。激战约半小时，我预备队第771团第2营一部投入战斗，敌虽利用大车、死马作掩护，全力顽抗，但大部被我交叉火力和手榴弹杀伤消灭，残部一股窜入神头村内凭借民房抵抗，也很快被我消灭。战至11时30分，除敌百余人由潞城方向逃跑外，其余全部就歼。此时，先前越过我伏击地区进到浊漳河南岸之敌，也被我第771团特务连歼灭。
当神头岭围歼战激烈进行之时，黎城之敌一部曾向神头岭方向增援，但被浊漳河所隔，并遭我特务连阻击，该敌遂在炮火掩护下抢修赵店桥。当神头岭伏歼战基本结束时，我特务连奉命撤回，该敌将桥修复后亦退回黎城。黄昏后，我军又将该桥焚毁。
13时，潞城留守之敌，慌忙增援，被我第772团第7连歼灭于神头村以南。14时，敌又出动百余人来援，大部被我军歼灭，其余窜回潞城。
至16时，神头岭伏击战胜利结束时，毙伤俘敌1500余人，毙伤和俘获骡马600余匹，缴获各种枪支300余件，击毁敌汽车百余辆。我伤亡240余人。
在神头岭伏击战中，我军首先在周密侦察和分析情况的基础上，采取相应的战法。根据敌一处受袭，它处必援的规律，决定采取攻其所必救，歼灭其救者的战法，以一个营强袭黎城，吸引潞城之敌越神头而增援，我以主力在神头岭公路两侧埋伏，凭借神头岭岭窄、两侧地形复杂之有利条件，一举歼灭援敌。事实证明，我采取这一战法，完全符合当时的客观实际，因而取得了预期的胜利。其次，正确选择设伏地区，巧妙隐蔽伪装。神头岭地区地形比较复杂，岭窄沟深，悬崖峭壁，除公路之外，不便敌汽车、骑兵运动和展开，有旧工事和草丛利于我军伪装隐蔽，突然出击。为了切实隐蔽企图，达到出奇制胜的目的，指挥员要求各部队不要挖动工事上的旧土，踩倒的草一定要顺着风向扶起来。正是由于我军巧妙良好的伪装隐蔽，虽然敌人的侦察搜索队在只距我伏击部队十余米的情况下，却丝毫未能发觉。结果敌军进入我伏击圈时，我军犹如神兵天降，打得敌人蒙头转向，迅速被歼。最后，我军不为表面现象所迷惑，坚决贯彻既定决心。神头岭地区的公路，从地图上判断，是在神头村以西的沟底通过，两侧正宜设伏，但部队进入设伏地区时，发现公路是在岭上，不便隐蔽。指挥员面对这种情况，不慌张，不忙乱，而是沉着冷静地进行仔细分析，发现岭上的旧工事可资利用，只要加以巧妙伪装，就可以切实隐蔽企图，收到出敌不意的效果，因而丝毫未动摇原定的伏击决心，只是作了部署上的调整。实践证明，在掌握敌人心理特点和行动规律的基础上，从实际出发，开动脑筋，仔细研究分析情况，经过主观努力，是可以变不利因素为有利因素的。
这次伏击战是八路军“吸敌打援”歼灭其援军的最好战例之一，就连日军统帅部也不得不称之为八路军的“典型的游击战”。刘伯承战前亲自勘察地形、对敌我双方的正确分析，以及在战斗布置上一反常规、出其不意，是此战获胜的重要原因。八路军共毙伤日军1500余人，俘80多人，缴获长短枪550余支、骡马600余匹。八路军伤亡240余人。作战中，有百余名日军突围逃回了潞城。这是由于参加伏击的一个团撤离过早，另一个团的一部迂回较迟。这说明第一二九师有的部队协同作纪律观念较差。对此刘伯承在战后提出了批评。此战的胜利，极大地牵制了沿同蒲、平汉两大铁路线南进的日军，有力地配合了国民党军队在中原及津浦路方面的作战，迟缓了日寇攻陷武汉的时间，使神头岭成了日军的“伤心岭”。
