1938年，隨着山西戰局日趨緊張、激烈，劉伯承指揮第一二九師輾轉機動，連續創造出有利戰機，給日軍以沉重的打擊。
1938年1月5日，中央軍委任命鄧小平爲第一二九師政治委員，張浩因病回延安另行安排。1月8日，鄧小平到達第一二九師，劉伯承緊緊握住鄧小平的手，熱忱歡迎他到一二九師來工作。從此，這兩位戰友統率着一支英勇無敵的鋼鐵大軍，開始了長達13年的共同戰鬥生活。
1月14日，劉伯承赴洛陽參加蔣介石召集的第一、二戰區將領會議。1月17日，劉伯承與朱德、彭德懷、林彪、賀龍等應召面見蔣介石。蔣介石對八路軍出師以來積極支援正面戰場，屢創日軍的行動慰勉一番，並一一稱讚了朱德等5人，說林彪在平型關打得好，劉伯承智計過人，不愧是軍事家。
1938年2月，日軍大本營鑑於侵華戰爭並不像預想的那樣順利，決心改變戰略部署，首先集中兵力解決華北問題。它從其他方向調來好幾個師團，使日軍總兵力陡然增加到11個半師團，而第八章厲馬太行且又置重點于山西，計劃發動山西南部作戰。
日軍的作戰部署是：首先以第十四師團、第一〇八師團分別攻佔新鄉、長治兩地，然後第一〇八師團轉攻臨汾，第十四師團轉攻侯馬、臨汾;第二十師團沿同蒲路正面推進;第一〇九師團沿汾(陽)離(石)公路西進，掩護另兩路軍隊的右側背的安全。八路軍總部令第一一五師主力位於汾陽、石樓地區;第一二〇師一部進至汾離公路，與第一一五師遙相呼應;第一二九師的第三八六旅位於長治以北地區，第七六九團進至介休、靈石之間的汾河左岸。另國民黨第九十八軍、第四十七軍和第三軍，佈防長治一線，閻錫山部位於呂梁山區，衛立煌部位於臨汾、運城地區。
日軍於12月11日出動，三路並進，攻勢猛烈。國民黨軍除第九十八軍在子洪口、第四十七軍在長治作了抵抗外，其餘全線敗退。日軍連佔隰縣、長治、沁陽等地，2月底從東、南、北三面會合攻佔了臨汾，3月初又分兵進犯晉西和晉南黃河渡口。八路軍第一一五師先後在兌九峪、樓底、田家鋪三次伏擊日軍，斃敵近400人。第一二〇師積極出擾日軍後方，牽制、遲滯了敵人的行動。
2月初，閻錫山提出了反攻太原的計劃。由於日軍進展很快，這個計劃沒有能夠實現。
根據閻錫山反攻太原的計劃，劉伯承率第一二九師進到正太路負責阻擊石家莊方面的援敵。
他令陳錫聯、孔慶德等化裝偵察井陘方向敵情，準備在這裏尋找戰機。
偵察結果，發現井陘西南20餘里的舊關據點駐有日軍200餘人，屬井陘警備隊管轄。劉伯承決心採用“攻其所必救”的戰術，以第七六九團襲擊舊關，但不切斷敵人的電話線，讓其呼喊井陘警備隊出援，以第三八六旅設伏於井陘至舊關間的長生口，殲滅援敵。隨後作了具體部署。
22日凌晨，按照預定的部署，第七六九團和第三八六旅開始行動。爲了保證戰鬥的祕密性和突然性，部隊特地從遠縱深開進。拂曉，第七六九團和第三八六旅各進入預定位置，4時許，舊關據點槍聲大作，第七六九團一部奮勇突入，守敵一面依託堅固的碉堡頑抗，一面通過電話向井陘呼救。井陘警備隊長荒井豐吉少佐於7時率快速部隊200餘人，分乘8輛汽車出援。車隊經過長生口，遭到預伏在這裏的第三八六旅的兩個團的猛烈襲擊。在突然打擊下的日軍驚恐萬狀，狼狽逃竄。戰士們端着刺刀、矛子衝了上去。30分鐘後，日軍被擊斃100餘人(包括荒井豐吉本人在內)，毀汽車5輛。其餘3輛沒命般向井陘逃去，後頭跟着一批來不及登車的步兵。第三八六旅一部展開追擊，一直追到井陘城西。整個戰鬥持續了5個小時左右。
長生口戰鬥結束的當天，劉伯承奉命率部南返，準備將主力集結到邯(鄲)長(治)大道以北的襄垣、武鄉地區，尋機打擊邯長大道上的日軍，破壞其交通補給線，以鉗制日軍向黃河河防的進攻，策應第一一五、第一二〇師在晉西和晉西北作戰。第一一五師第三四四旅及曾國華第五支隊也同時跨越正太路南下，加強正太路以南的鬥爭力量。
3月上旬，晉南日軍第二十師團和第十四師團一部攻佔了風陵渡到河南溫縣之間的各渡河點，晉西日軍第一〇九師團也控制了離石周圍的河岸，準備往南往西渡過黃河，配合津浦作戰，進攻西安、陝甘寧邊區。劉伯承積極尋找戰機打擊日軍，以鉗制它的戰略行動。
3月14日，劉伯承率第一二九師主力進到襄垣以東的濁漳河畔，設師指揮所於楊家莊。以第三八六旅的第七七一、第七七二、補充團3個團位於強計、渠村、石板村地域，以第七六九團位於東、西寧靜。師指揮所的作戰室裏，牆壁上懸掛着繳自日軍的五萬分之一軍用地圖，邯長大道被紅筆醒目地勾了出來。劉伯承翻閱着來自各方的敵情通報和本師部隊的偵察報告，不時用放大鏡審視着牆上的地圖。作戰室裏別無旁人，鄧小平、徐向前到八路軍總部開會去了，倪志亮留在後方管理師直屬隊。不多長時間，一個作戰方案在他心中形成了。
他立刻把李達和有關參謀找來，講了他的方案：總部令我師進攻東陽關至潞城一線敵人。我打算襲擊黎城，吸引潞城和涉縣的敵人出援而予以伏擊。
部署上以第七六九團爲左翼隊，其一部於16日拂曉前襲擊黎城，主力則伏擊涉縣出援之敵;以第三八六旅3個團爲右翼隊，在神頭村附近伏擊潞城出援之敵。
神頭村是潞城東北20餘里外的一個小山村，周圍岡巒起伏。從地圖上看，村子依坡而建，一條公路從村西的神頭嶺下穿過。把伏擊部隊擺在嶺上，居高臨下，確實很便利。“地形是很理想，可3個團的兵力如何部署呢?”
“還是到現場勘察一下再下決心。”劉伯承連續地思考着。於是，他帶着李達等人一起去看地形。到神頭嶺一看，發現公路並不在嶺下，而是在嶺上。
他不禁長嘆一聲：“粗枝大葉可要害死人哪!”
神頭嶺確切點說應稱它爲山樑，光禿禿的只有一二百米寬，公路在中間蜿蜒而過。路面比兩旁的土坎略低，離公路不遠，有過去國民黨軍隊修的一些工事。猛一看，這裏地形很難埋伏大部隊。一位參謀就說這個山樑狹窄崎嶇，不便於部隊展開。其他人有的反對，有的附和。劉伯承沒有表態，他圍着山樑繞了一圈，察看了四周的山峯、溝壑和道路。回到原地，他決然地說：我的意見是原計劃不變。理由有三：一、兵法上說“兵者詭道，去留不定，見機而作，不得遵常”。當敵人以爲地形對我不利而疏於防範時，我偏偏一反常態，可收出敵意外之效：二、利用公路旁的舊工事來解決部隊的潛伏問題。工事離公路近只20米，遠則不過百米，敵人天天往來於山樑上，對此早已司空見慣。只要部隊嚴密隱蔽，不會暴露;三、此處地形狹窄，我方兵力確實難以展開，但敵人的技術兵器更難展開，騎兵也沒法左右機動。總之一句話，權衡戰場地形的利弊，不能光從單方面看，而應綜合敵我雙方的因素。假如這個伏擊點的地形開闊平坦，利於我方部隊展開，而敵方也同樣便於展開，結果是由於敵方技術佔優勢，反會陷我於被動。劉伯承的分析人情人理，大家表示心悅誠服，設伏神頭嶺的決心就這樣定下來了。
在返回的路上，劉伯承又談到了這次伏擊戰的戰術問題。他說：“這次採用‘吸打敵援’的戰術。襲擊黎城駐止之敵，以吸引涉縣、潞城兩地敵人來援，在必經之路東、西黃鬚和神頭村予以伏擊。襲擊是手段，伏擊纔是目的。我之所以把這種戰術叫‘吸打敵援’，是因爲要使人一見就知道重點在打援。這一戰術的關鍵是吸援地點的選定。這要偵查和估計敵人駐軍佈防的系統，那裏是敵人駐軍的本隊，哪些是敵人駐軍的分支，那一分支又是敵人駐軍最關痛癢，十分愛護的環節。這環節就是我們吸援的地點，黎城正是符合了這個原則的。”
3月16日4時許，左翼第七六九團第一營按預定計劃，一舉襲入黎城城關。日軍一時不明情況，固守在房子裏盲目還擊，同時向相鄰據點求援。 涉縣、潞城守敵接到求援信號後，從東、西兩個方向向黎城馳援。
設伏在東、西黃鬚的第七六九團主力與涉縣方向的援敵剛一接觸，狡猾的日軍發覺有中伏危險，慌忙退縮回去。
潞城敵第十六師團輜重部隊林清隊和第一〇八師團輜重部隊展尾隊，以及自衛隊，騎兵共1500餘人，隨帶騾馬1000餘匹，出城向黎城增援。剛過完濁漳橋，第七七一團特務連焚橋斷路。日軍並未警覺，認爲不過是游擊隊破毀交通的慣技，仍然趾高氣揚地往前走。
9時許，日軍到神頭村休息。突然，日軍隊伍先頭響起了槍聲，緊接着，神頭村東、西、北3面的槍炮一齊吐出了憤怒的火焰。剎那間，日軍象枯草遇到利刃一樣，倒下了一大片。殘存者有的抱槍而逃，有的在軍官的指揮下就地頑抗。隊長展尾中尉抽出指揮刀，狂叫着督促士兵反撲。一顆炮彈打在他頭頂上，他一頭栽倒，再也起不來了。
衝鋒號吹響了，指戰員們從工事裏、溝坎邊奮勇躍起，衝進敵羣裏，與敵人展開了白刃格鬥。埋伏在縱深的指戰員們源源不斷地衝上神頭嶺。
戰前，劉伯承指導戰士們打仗要分三部動作：用槍打頭，用刀矛刺胸，用手榴彈炸屁股。這回大家全用上了。特等射手和投彈能手們更是大顯神通。
兩個多小時激戰以後，日軍基本被殲滅。神頭嶺上，到處是打倒的敵屍和騾馬，還有成捆成箱的輜重和散落一地的文件。有百餘名日軍突圍逃回了潞城。這是由於參加伏擊的一個團撤離過早，另一個團的一部迂迴較遲。這說明第一二九師有的部隊協同動作和紀律觀念較差。對此劉伯承在戰後提出了批評。
這一仗，共斃傷日軍1400餘人，繳獲長短槍300餘支，擊斃與繳獲騾馬600餘匹，還抓了80多名俘虜。
一名從戰地僥倖逃脫的日本《東奧日報》的隨軍記者，回去後寫了一篇題爲《脫險記》的通訊，稱神頭嶺之戰是第一二九師的“典型游擊戰術”。
戰後不幾天，日軍汽車部隊的一名伍長在日記裏寫道：“第一〇八師團這樣的損失是從來沒有的，潞安到黎城的道上鮮血這邊那邊流着，我們的部隊通過其間，真覺難過，禁不住流下滾滾的熱淚。”
神頭嶺，成了日軍喪魂落魄的“傷心嶺”。
