9时半，日军全部进入伏击圈，陈赓发出攻击命令。刹那间，平静的山梁变成了喷发的火山，386旅的3个团从三面向敌人发起了攻击，手榴弹雨点般地落在了日军的队伍里，枪炮声、爆炸声响成一片；横飞的弹片、闪闪的火光、弥漫的硝烟、滚滚的黄土一起汇成了愤怒的火龙，把鬼子连同整条公路都吞没了。
打这样的伏击战炮兵最过瘾。以前作战，炮兵都是在步兵后面用间瞄射击，看不到炮弹炸敌的景象。这次不同了，炮兵跟步兵在一起，都在废弃的工事里，能直接看到敌人炸死的惨状，炮手们个个精神抖擞，斗志昂扬，越发打得准。
日军方知上当，但公路狭窄根本展不开，呼喊声、马叫声乱作一团。毕竟，日军是在武士道精神毒化下的兽兵，虽然到了绝望的地步，但还在做垂死的挣扎。一位日军少佐抽出军刀指挥反抗，一发迫击炮弹落在他的身边，轰的一声化作一团血雨。日军有的趴在地上进行还击，有的滚进水沟里掩身，有的以死马为掩体进行顽抗，有的则被吓破了胆。自从侵入中国以来，他们哪里见过如此英勇的军队，哪里遇到过如此的绝境！
当日军伤亡过半时，我386旅的勇士们高呼着冲了上去，与日军展开了肉搏战，日军大部分成了刀下鬼。一小股日军向西逃窜，逃到神头村后，利用民房和窑洞进行抗击，想固守待援。陈赓发现后命令紧靠村子的一个排：“立刻把村子夺回来！”
这个排是蒲达义率领的，向来以勇猛善战而威名远扬，这一次他们同样也没有辜负旅长的期望。他们用机枪火力作掩护，一个班从正面攻，两个班从侧面攻，一个猛冲，连续攻占两幢民房，以伤亡5人的代价打死打伤十几个日军，硬是把日军赶出了村子。散落在旷野的日军像受了惊的羊群，四处逃散。11时半，除100多个日军逃回潞城之外，1400多日军被消灭，还俘虏8人，缴获长短枪550余支。第129师伤亡240余人。
神头岭伏击战是八路军继平型关、广阳伏击战后进行的又一次较大规模的歼灭战。日本随军记者也不得不称此战是八路军第129师的“典型游击战术”。刘伯承对神头岭的伏击战术作了精辟的分析：“这次采用‘吸打敌援’的战术。袭击黎城驻守之敌，以吸引涉县、潞城两地敌人来援，在必经之路东、西黄须和神头岭予以伏击。袭击是手段，伏击才是目的。”(新华网)