9時半，日軍全部進入伏擊圈，陳賡發出攻擊命令。剎那間，平靜的山梁變成了噴發的火山，386旅的3個團從三面向敵人發起了攻擊，手榴彈雨點般地落在了日軍的隊伍里，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。
打這樣的伏擊戰炮兵最過癮。以前作戰，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，炮手們個個精神抖擻，斗志昂揚，越發打得準。
日軍方知上當，但公路狹窄根本展不開，呼喊聲、馬叫聲亂作一團。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，一發迫擊炮彈落在他的身邊，轟的一聲化作一團血雨。日軍有的趴在地上進行還擊，有的滾進水溝里掩身，有的以死馬為掩體進行頑抗，有的則被嚇破了膽。自從侵入中國以來，他們哪里見過如此英勇的軍隊，哪里遇到過如此的絕境！
當日軍傷亡過半時，我386旅的勇士們高呼著沖了上去，與日軍展開了肉搏戰，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，利用民房和窯洞進行抗擊，想固守待援。陳賡發現后命令緊靠村子的一個排：“立刻把村子奪回來！”
這個排是蒲達義率領的，向來以勇猛善戰而威名遠揚，這一次他們同樣也沒有辜負旅長的期望。他們用機槍火力作掩護，一個班從正面攻，兩個班從側面攻，一個猛沖，連續攻占兩幢民房，以傷亡5人的代價打死打傷十幾個日軍，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時半，除100多個日軍逃回潞城之外，1400多日軍被消滅，還俘虜8人，繳獲長短槍550余支。第129師傷亡240余人。
神頭嶺伏擊戰是八路軍繼平型關、廣陽伏擊戰后進行的又一次較大規模的殲滅戰。日本隨軍記者也不得不稱此戰是八路軍第129師的“典型游擊戰術”。劉伯承對神頭嶺的伏擊戰術作了精辟的分析：“這次采用‘吸打敵援’的戰術。襲擊黎城駐守之敵，以吸引涉縣、潞城兩地敵人來援，在必經之路東、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)