9時(shí)半，日軍全部進(jìn)入伏擊圈，陳賡發(fā)出攻擊命令。剎那間，平靜的山梁變成了噴發(fā)的火山，386旅的3個(gè)團(tuán)從三面向敵人發(fā)起了攻擊，手榴彈雨點(diǎn)般地落在了日軍的隊(duì)伍里，槍炮聲、爆炸聲響成一片；橫飛的彈片、閃閃的火光、彌漫的硝煙、滾滾的黃土一起匯成了憤怒的火龍，把鬼子連同整條公路都吞沒了。
打這樣的伏擊戰(zhàn)炮兵最過癮。以前作戰(zhàn)，炮兵都是在步兵后面用間瞄射擊，看不到炮彈炸敵的景象。這次不同了，炮兵跟步兵在一起，都在廢棄的工事里，能直接看到敵人炸死的慘狀，炮手們個(gè)個(gè)精神抖擻，斗志昂揚(yáng)，越發(fā)打得準(zhǔn)。
日軍方知上當(dāng)，但公路狹窄根本展不開，呼喊聲、馬叫聲亂作一團(tuán)。畢竟，日軍是在武士道精神毒化下的獸兵，雖然到了絕望的地步，但還在做垂死的掙扎。一位日軍少佐抽出軍刀指揮反抗，一發(fā)迫擊炮彈落在他的身邊，轟的一聲化作一團(tuán)血雨。日軍有的趴在地上進(jìn)行還擊，有的滾進(jìn)水溝里掩身，有的以死馬為掩體進(jìn)行頑抗，有的則被嚇破了膽。自從侵入中國(guó)以來(lái)，他們哪里見過如此英勇的軍隊(duì)，哪里遇到過如此的絕境！
當(dāng)日軍傷亡過半時(shí)，我386旅的勇士們高呼著沖了上去，與日軍展開了肉搏戰(zhàn)，日軍大部分成了刀下鬼。一小股日軍向西逃竄，逃到神頭村后，利用民房和窯洞進(jìn)行抗擊，想固守待援。陳賡發(fā)現(xiàn)后命令緊靠村子的一個(gè)排：“立刻把村子奪回來(lái)！”
這個(gè)排是蒲達(dá)義率領(lǐng)的，向來(lái)以勇猛善戰(zhàn)而威名遠(yuǎn)揚(yáng)，這一次他們同樣也沒有辜負(fù)旅長(zhǎng)的期望。他們用機(jī)槍火力作掩護(hù)，一個(gè)班從正面攻，兩個(gè)班從側(cè)面攻，一個(gè)猛沖，連續(xù)攻占兩幢民房，以傷亡5人的代價(jià)打死打傷十幾個(gè)日軍，硬是把日軍趕出了村子。散落在曠野的日軍像受了驚的羊群，四處逃散。11時(shí)半，除100多個(gè)日軍逃回潞城之外，1400多日軍被消滅，還俘虜8人，繳獲長(zhǎng)短槍550余支。第129師傷亡240余人。
神頭嶺伏擊戰(zhàn)是八路軍繼平型關(guān)、廣陽(yáng)伏擊戰(zhàn)后進(jìn)行的又一次較大規(guī)模的殲滅戰(zhàn)。日本隨軍記者也不得不稱此戰(zhàn)是八路軍第129師的“典型游擊戰(zhàn)術(shù)”。劉伯承對(duì)神頭嶺的伏擊戰(zhàn)術(shù)作了精辟的分析：“這次采用‘吸打敵援’的戰(zhàn)術(shù)。襲擊黎城駐守之?dāng)常晕婵h、潞城兩地?cái)橙藖?lái)援，在必經(jīng)之路東、西黃須和神頭嶺予以伏擊。襲擊是手段，伏擊才是目的。”(新華網(wǎng))