1938年，随着山西战局日趋紧张、激烈，刘伯承指挥第一二九师辗转机动，连续创造出有利战机，给日军以沉重的打击。
1938年1月5日，中央军委任命邓小平为第一二九师政治委员，张浩因病回延安另行安排。1月8日，邓小平到达第一二九师，刘伯承紧紧握住邓小平的手，热忱欢迎他到一二九师来工作。从此，这两位战友统率着一支英勇无敌的钢铁大军，开始了长达13年的共同战斗生活。
1月14日，刘伯承赴洛阳参加蒋介石召集的第一、二战区将领会议。1月17日，刘伯承与朱德、彭德怀、林彪、贺龙等应召面见蒋介石。蒋介石对八路军出师以来积极支援正面战场，屡创日军的行动慰勉一番，并一一称赞了朱德等5人，说林彪在平型关打得好，刘伯承智计过人，不愧是军事家。
1938年2月，日军大本营鉴于侵华战争并不像预想的那样顺利，决心改变战略部署，首先集中兵力解决华北问题。它从其他方向调来好几个师团，使日军总兵力陡然增加到11个半师团，而第八章厉马太行且又置重点于山西，计划发动山西南部作战。
日军的作战部署是：首先以第十四师团、第一〇八师团分别攻占新乡、长治两地，然后第一〇八师团转攻临汾，第十四师团转攻侯马、临汾;第二十师团沿同蒲路正面推进;第一〇九师团沿汾(阳)离(石)公路西进，掩护另两路军队的右侧背的安全。八路军总部令第一一五师主力位于汾阳、石楼地区;第一二〇师一部进至汾离公路，与第一一五师遥相呼应;第一二九师的第三八六旅位于长治以北地区，第七六九团进至介休、灵石之间的汾河左岸。另国民党第九十八军、第四十七军和第三军，布防长治一线，阎锡山部位于吕梁山区，卫立煌部位于临汾、运城地区。
日军于12月11日出动，三路并进，攻势猛烈。国民党军除第九十八军在子洪口、第四十七军在长治作了抵抗外，其余全线败退。日军连占隰县、长治、沁阳等地，2月底从东、南、北三面会合攻占了临汾，3月初又分兵进犯晋西和晋南黄河渡口。八路军第一一五师先后在兑九峪、楼底、田家铺三次伏击日军，毙敌近400人。第一二〇师积极出扰日军后方，牵制、迟滞了敌人的行动。
2月初，阎锡山提出了反攻太原的计划。由于日军进展很快，这个计划没有能够实现。
根据阎锡山反攻太原的计划，刘伯承率第一二九师进到正太路负责阻击石家庄方面的援敌。
他令陈锡联、孔庆德等化装侦察井陉方向敌情，准备在这里寻找战机。
侦察结果，发现井陉西南20余里的旧关据点驻有日军200余人，属井陉警备队管辖。刘伯承决心采用“攻其所必救”的战术，以第七六九团袭击旧关，但不切断敌人的电话线，让其呼喊井陉警备队出援，以第三八六旅设伏于井陉至旧关间的长生口，歼灭援敌。随后作了具体部署。
22日凌晨，按照预定的部署，第七六九团和第三八六旅开始行动。为了保证战斗的秘密性和突然性，部队特地从远纵深开进。拂晓，第七六九团和第三八六旅各进入预定位置，4时许，旧关据点枪声大作，第七六九团一部奋勇突入，守敌一面依托坚固的碉堡顽抗，一面通过电话向井陉呼救。井陉警备队长荒井丰吉少佐于7时率快速部队200余人，分乘8辆汽车出援。车队经过长生口，遭到预伏在这里的第三八六旅的两个团的猛烈袭击。在突然打击下的日军惊恐万状，狼狈逃窜。战士们端着刺刀、矛子冲了上去。30分钟后，日军被击毙100余人(包括荒井丰吉本人在内)，毁汽车5辆。其余3辆没命般向井陉逃去，后头跟着一批来不及登车的步兵。第三八六旅一部展开追击，一直追到井陉城西。整个战斗持续了5个小时左右。
长生口战斗结束的当天，刘伯承奉命率部南返，准备将主力集结到邯(郸)长(治)大道以北的襄垣、武乡地区，寻机打击邯长大道上的日军，破坏其交通补给线，以钳制日军向黄河河防的进攻，策应第一一五、第一二〇师在晋西和晋西北作战。第一一五师第三四四旅及曾国华第五支队也同时跨越正太路南下，加强正太路以南的斗争力量。
3月上旬，晋南日军第二十师团和第十四师团一部攻占了风陵渡到河南温县之间的各渡河点，晋西日军第一〇九师团也控制了离石周围的河岸，准备往南往西渡过黄河，配合津浦作战，进攻西安、陕甘宁边区。刘伯承积极寻找战机打击日军，以钳制它的战略行动。
3月14日，刘伯承率第一二九师主力进到襄垣以东的浊漳河畔，设师指挥所于杨家庄。以第三八六旅的第七七一、第七七二、补充团3个团位于强计、渠村、石板村地域，以第七六九团位于东、西宁静。师指挥所的作战室里，墙壁上悬挂着缴自日军的五万分之一军用地图，邯长大道被红笔醒目地勾了出来。刘伯承翻阅着来自各方的敌情通报和本师部队的侦察报告，不时用放大镜审视着墙上的地图。作战室里别无旁人，邓小平、徐向前到八路军总部开会去了，倪志亮留在后方管理师直属队。不多长时间，一个作战方案在他心中形成了。
他立刻把李达和有关参谋找来，讲了他的方案：总部令我师进攻东阳关至潞城一线敌人。我打算袭击黎城，吸引潞城和涉县的敌人出援而予以伏击。
部署上以第七六九团为左翼队，其一部于16日拂晓前袭击黎城，主力则伏击涉县出援之敌;以第三八六旅3个团为右翼队，在神头村附近伏击潞城出援之敌。
神头村是潞城东北20余里外的一个小山村，周围冈峦起伏。从地图上看，村子依坡而建，一条公路从村西的神头岭下穿过。把伏击部队摆在岭上，居高临下，确实很便利。“地形是很理想，可3个团的兵力如何部署呢?”
“还是到现场勘察一下再下决心。”刘伯承连续地思考着。于是，他带着李达等人一起去看地形。到神头岭一看，发现公路并不在岭下，而是在岭上。
他不禁长叹一声：“粗枝大叶可要害死人哪!”
神头岭确切点说应称它为山梁，光秃秃的只有一二百米宽，公路在中间蜿蜒而过。路面比两旁的土坎略低，离公路不远，有过去国民党军队修的一些工事。猛一看，这里地形很难埋伏大部队。一位参谋就说这个山梁狭窄崎岖，不便于部队展开。其他人有的反对，有的附和。刘伯承没有表态，他围着山梁绕了一圈，察看了四周的山峰、沟壑和道路。回到原地，他决然地说：我的意见是原计划不变。理由有三：一、兵法上说“兵者诡道，去留不定，见机而作，不得遵常”。当敌人以为地形对我不利而疏于防范时，我偏偏一反常态，可收出敌意外之效：二、利用公路旁的旧工事来解决部队的潜伏问题。工事离公路近只20米，远则不过百米，敌人天天往来于山梁上，对此早已司空见惯。只要部队严密隐蔽，不会暴露;三、此处地形狭窄，我方兵力确实难以展开，但敌人的技术兵器更难展开，骑兵也没法左右机动。总之一句话，权衡战场地形的利弊，不能光从单方面看，而应综合敌我双方的因素。假如这个伏击点的地形开阔平坦，利于我方部队展开，而敌方也同样便于展开，结果是由于敌方技术占优势，反会陷我于被动。刘伯承的分析人情人理，大家表示心悦诚服，设伏神头岭的决心就这样定下来了。
在返回的路上，刘伯承又谈到了这次伏击战的战术问题。他说：“这次采用‘吸打敌援’的战术。袭击黎城驻止之敌，以吸引涉县、潞城两地敌人来援，在必经之路东、西黄须和神头村予以伏击。袭击是手段，伏击才是目的。我之所以把这种战术叫‘吸打敌援’，是因为要使人一见就知道重点在打援。这一战术的关键是吸援地点的选定。这要侦查和估计敌人驻军布防的系统，那里是敌人驻军的本队，哪些是敌人驻军的分支，那一分支又是敌人驻军最关痛痒，十分爱护的环节。这环节就是我们吸援的地点，黎城正是符合了这个原则的。”
3月16日4时许，左翼第七六九团第一营按预定计划，一举袭入黎城城关。日军一时不明情况，固守在房子里盲目还击，同时向相邻据点求援。 涉县、潞城守敌接到求援信号后，从东、西两个方向向黎城驰援。
设伏在东、西黄须的第七六九团主力与涉县方向的援敌刚一接触，狡猾的日军发觉有中伏危险，慌忙退缩回去。
潞城敌第十六师团辎重部队林清队和第一〇八师团辎重部队展尾队，以及自卫队，骑兵共1500余人，随带骡马1000余匹，出城向黎城增援。刚过完浊漳桥，第七七一团特务连焚桥断路。日军并未警觉，认为不过是游击队破毁交通的惯技，仍然趾高气扬地往前走。
9时许，日军到神头村休息。突然，日军队伍先头响起了枪声，紧接着，神头村东、西、北3面的枪炮一齐吐出了愤怒的火焰。刹那间，日军象枯草遇到利刃一样，倒下了一大片。残存者有的抱枪而逃，有的在军官的指挥下就地顽抗。队长展尾中尉抽出指挥刀，狂叫着督促士兵反扑。一颗炮弹打在他头顶上，他一头栽倒，再也起不来了。
冲锋号吹响了，指战员们从工事里、沟坎边奋勇跃起，冲进敌群里，与敌人展开了白刃格斗。埋伏在纵深的指战员们源源不断地冲上神头岭。
战前，刘伯承指导战士们打仗要分三部动作：用枪打头，用刀矛刺胸，用手榴弹炸屁股。这回大家全用上了。特等射手和投弹能手们更是大显神通。
两个多小时激战以后，日军基本被歼灭。神头岭上，到处是打倒的敌尸和骡马，还有成捆成箱的辎重和散落一地的文件。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动作和纪律观念较差。对此刘伯承在战后提出了批评。
这一仗，共毙伤日军1400余人，缴获长短枪300余支，击毙与缴获骡马600余匹，还抓了80多名俘虏。
一名从战地侥幸逃脱的日本《东奥日报》的随军记者，回去后写了一篇题为《脱险记》的通讯，称神头岭之战是第一二九师的“典型游击战术”。
战后不几天，日军汽车部队的一名伍长在日记里写道：“第一〇八师团这样的损失是从来没有的，潞安到黎城的道上鲜血这边那边流着，我们的部队通过其间，真觉难过，禁不住流下滚滚的热泪。”
神头岭，成了日军丧魂落魄的“伤心岭”。