太原失陷后，中国第二战区部队大部迟至晋西、晋南、部分渡过黄河，进入陕西，1938年2月初，日军为配合其津浦路作战，并相机进攻渲关，西安和陕北，以第20师团沿同蒲路南下，向临汾、风陵渡进攻，威胁渲关；以第109师团沿汾（阳）离（石）公路向晋西南黄河渡口进攻，进逼陕北；以第108师团由平汉路上之邯郸沿邯（郸）长（治）公路西进，配合第20师团夺取晋西南。与此同时，国民政府军事委员会亦命令第二战区反攻太原。第二战区拟定以右、中、左3路军向太原反攻。
八路军总司令朱德以第二战区副司令长官身份任东路军总指挥。东路军除八路军部队外，国民党军武士敏部第98军，李默庵部第14军、曾万钟部第3军、李家钰部第47军等，亦统由朱德指挥。八路军的任务是切断日军的后方交通，配合友军向太原进攻。八路军总部于2月4日、5日向八路军各部连续发出破袭同蒲、平汉、正太路和邯长公路的作战命令。
遵照八路军总部的命令，晋察冀军区于2月上旬对平汉、正太、同蒲路进行了破袭作战。2月9日夜，第3军分区部队向平汉路保至新乐段展开破袭，先后攻占新乐、定县、望都3县城及清风店、方顺桥等车站，并袭人满城和保定城关，毙伤日军370余人，争取伪军100余人反正，破坏铁路50余公里，焚毁新乐等6处火车站，使平汉路北段交通一度中断，与此同时，第1、第2、第4军分区部队，分别攻占蔚县的九宫口、北口，袭击浑源、忻口、原平、崞县、代县和井陉等城镇，给同蒲、正太路沿线日军以有力打击。
2月中旬，八路军第120师根据八路军总部关于配合友军作战、破袭敌占交通线的命令，决心以师主力对同蒲路阳曲至忻县段展开破袭作战，并令第358、第359旅主力于17日在忻县平社以西三交、岔上一带集结。18日，破袭作战开始。第359旅首先袭击平社车站，歼灭日军一部，占领车站，切断了该段日军的铁路交通。接着、向东发展进攻、连克铁路沿线及其附近要点豆罗村、麻会镇、关城镇及石岭关等地。日军为恢复该段交通。由忻县出动800余人，由高村出动200余人、向在关城镇、石岭关的第359旅进攻，均被击退。第358旅主力于平社以南之黄岭村附近设伏，击毁日军南行军运列车，歼敌一部。日军为寻求报复，由阳曲出动700余人，经高村向第358旅进攻。该旅于河庄、田庄地区将日军击溃、并乘胜追击至高村车站附近。在此期间，第358旅还以一部兵力连续袭拢太原城郭及飞机场。经10天奋战，第120师共攻占平社、田庄等车站7处，炸毁日军军运火车3列、汽车10余辆，破坏桥梁8座，拆毁铁路10余公里，歼灭日军500余人，切断了同蒲路北段的交通，有力地配合了友军作战。
为钳制与打击向晋南、晋西进攻之日军，配合友军作战，八路军总部于2月18日命令第129师和第115师第344旅，向正太路阳泉至井陉段出击。
据此。第129师首长决心以第769团袭击井陉至阳泉间日军重要据点旧关，引诱井陉日军出援；以第386旅主力于井陉、旧关间之长生口设伏、歼灭出援之敌；以第344旅主力袭击正太路娘子关至井陉间日军据点。21日夜，第386旅以主力于长生口附近占领伏击阵地。22日拂晓，第769团一部袭击旧关并将日军包围。井陉日军闻讯，以200亲人乘8辆汽车出援，当通过长生口附近时，第386旅伏击部队突然发起攻击，经激战，歼灭日军警备大队长以下130余人，击毁汽车5辆，缴获迫击炮3门。与此同时，第344旅袭击娘子关至井陉间之日军据点，毙伤日军200余人，一度切断正大路的交通，有力地钳制了向晋西、晋南进攻之日军。
当第129师主力出击正大路时，日军第108师团由邯郸经东阳关沿邯长公路西进，并于2月20日进占长治，企图夺取临汾，配合沿同蒲路南下之第20师团消灭退至晋南的第二战区国民党军。为了打击与钳制沿邯长公路西进之日军，第129师遵照中共中央军委和八路军总部的命令，于3月上旬南移至襄桓东南地区，伺机破袭邯长公路，打击西进日军。
邯长公路是长治日军从平汉路取得补给的主要交通线。因此，日军在线上各要点均驻兵防守。位于该线上的黎城是日军的重要兵站基地。而黎城与潞城之间系丘陵地带，便于选择伏击阵地。第129师根据当面敌情、地形，决心“攻其所必救”，袭击黎城，吸引潞城日军出援，于潞河村与微子镇之间的神头岭地区伏击该敌，并相机打击由涉县出援之敌，以钳制沿邯长公路西进之日军第108师团，支援晋西、晋南友军。部署是：以第769团一部袭击黎城，以该团主力于东、西黄须伏击由涉县来援之敌；以第386旅（辖第771，第772团和补充团）于神头岭设伏，歼灭由潞城来援之敌。
3月16日4时，第769团第1营袭人黎城，歼敌100余人，于拂晓前主动撤出。该团主力亦于东、西黄须击退由涉县来援之日军。与此同时，第771团特务连烧毁黎城西南赵店镇的大木桥，切断黎城、潞城之间的交通。在第769团第1营袭击黎城时，潞城日军即以步骑兵1500余人向黎城增援，9时30分，当该敌全部进入神头岭伏击阵地时，第386旅突然向日军发起攻击。第771团于神头岭北端迎头截击日军；第772团和补充团从公路两则对日军实施夹击，并以一部切断日军退路。日军遭此突然袭击，加之兵力、兵器受地形限制，难以展开，顿时陷入混乱，死伤惨重。经激烈战斗，日军大部被歼，一部突人神头村内，凭借房屋、窑洞、负隅顽抗。战至11时13分，进入神头岭之日军，除100余人逃回潞城外，其余均被歼灭。此后，潞城、黎城日军虽连续出援，但均被阻援部队击退。是役，第386旅共歼灭日军1500亲人，俘8人，击毙与缴获骡马600余匹，缴获长短枪550余支。第386旅伤亡240余人。
神头岭伏击战是八路军继平型关、广阳伏击战之后进行的又一次较大规模的伏击战。这次战斗，由于准确掌握敌情，适时定下“攻其所必救”、“吸打敌援”伏击歼敌于运动中的决心，巧妙利用地形，周密部署，合理使用兵力，收到了隐蔽突然、出敌不意、速战速决的效果，是“吸打敌援”的最好战例之一。就连日军统帅部也称之为八路军的“典型的游击战”。
神头岭伏击战后，日军在黎城以东的东阳关增设了据点。邯长公路上，日军运输繁忙，汽车来往不断，支援晋南、晋西日军向黄河各渡口进犯。为进一步打击西进日军，支援晋西。晋南友军作战，第129师首长决心以主力干涉县西南之响堂铺伏击日军运输部队。具体部署是：以第386旅第771团全部及第769团主力，预伏于响堂铺公路以北之后宽漳至杨家山东西长5公里的一线山地，以一部预伏于公路以南之山脚下，阻止日军抢占南面高山；以第772团全部及第769团一部，阻击由黎城和涉县可能来援之敌，并保障伏击部队的侧后安全。
3月31日8时许，日军第14师团辎重部队汽车180余辆及掩护部队由黎城经东阳关向涉县开进。9时许，全部驶人伏击区。伏击部队即以猛烈火力压制杀伤日军，随即发起冲击，与日军展开白刃格斗。经2小时激战，将敌全歼。正当战斗激烈进行之际，黎城及东阳关日军400余人，涉县日军200余人，赶来增援，均被阻援部队击退。16时许，当日军飞机10余架对响堂铺实施轰炸时。八路军伏击部队已安全转移。此次战斗，共毙伤日军400余人，焚毁汽车180余辆，缴获迫击炮4门，重机枪2挺，长短枪130余支及其他大批军用物资。第129师伤亡317人。
为配合正面战场友军晋西、晋南作战，八路军以3个师的主力，在人民群众和游击队的支援配合下，向日军控制的华北交通大动脉进行首次集中破袭，使华北的主要铁路交通一度陷入瘫痪，有效地钳制和打击了日军，有力地配合了正面战场友军的作战。