晋西南地区位于黄河以东、同蒲路以西、汾离公路以南，吕梁山脉纵贯南北，是陕甘宁边区的东部屏障和联系晋冀豫边抗日根据地的纽带。早在太原失陷前，毛泽东就电示八路军总部，于适当时机派部队进至吕梁山脉活动，太原失守的当天，毛泽东又进一步指出：“吕梁山脉是八路军的主要根据地；但其工作尚未开始，因此，不但徐旅（徐海东，第115师第344旅）须立即迅速转移，林率陈旅（陈光，第115师第343旅）亦不应在东边恋战，亦以立即开始转移为宜。”据此，八路军总部于1937年11月9日令第115师师部率第343旅由正太路南进，适时转向吕梁山脉，创建晋西南抗日根据地。第344旅则随八路军总部继续在正太路沿线活动。第115师主力于12月南下进抵洪洞、赵城地区后，就地进行休整补充。
1938年2月中旬，日华北方面军第1军向晋西南地区发动大规模进攻，国民党军纷纷退向晋南和黄河西岸，吕梁山部分地区变为敌后。第115师师部率第343旅由洪洞，赵城地区进至孝义地区打击日军。2月19日，第343旅在孝义以西之兑九峪、辛庄等地，侧击、袭击由孝义西进之日军，并于20日收复大麦郊。21日，该旅在川口附近与由双池镇西犯之日军1600余人进行激战，毙伤日军200余人，阻止了该路日军的西进。第115师主力在积极打击日军的同时，抽调干部组成工作队，深入石楼、永和等县，发动群众，组织抗日游击队，开创抗日根据地。
2月下旬，日军在占领隰县、临汾后，继续向西、向南推进，直接威胁陕甘宁边区的安全。第115师师长林彪（3月2日，林彪在限县以北的千家庄为国民党军哨兵误伤，回延安治疗，由第343旅旅长陈光代理师长）、政治部主任罗荣桓根据毛泽东关于巩固战略枢纽和寻机歼敌的指示，一面组织工作队深入各地发动群众建立抗日根据地，一面率主力进至隰县、午城地区待机歼敌。
3月14日12时许，第115师先遣分队在午城镇以东地区与由蒲县西进之日军第20师团先头部队遭遇，先遣分队先敌展开，抢占有利地形，经2小时激战，毙伤日军100余人后，主动转移至午城西北高地，继续钳制日军，掩护主力进至机动位置。14时许，日军进占午城，并继续西犯进占大宁。16日，第343旅主力隐蔽于大宁以东之罗曲、午城、井沟公路两侧，待机歼敌。当日，日军辎重部队200余人、骡马100余匹，由午城西进至罗曲村附近时，被第343旅第685团全歼。17日，蒲县之日军汽车60余辆，向大宁运送物资，当进至井沟以西地区时，预伏于该地的第343旅第686团突然出击，歼其200余人，缴获汽车6辆。同日，第685团于罗曲村将由大宁出来接应其辎重车队的日军500余人击退。当夜，第343旅又以第686团第3营和第685团2个连夜袭午城，毙敌50余人，缴获轻机枪5挺、步枪60余支，烧毁汽车10余辆。午城日军乘夜暗突围逃窜。
午城战斗后，第115师首长判断日军连遭打击，其主力必来报复，当即决定再次伏击日军，令第343旅以第686团和汾西游击队预伏于井沟至张庄公路两侧高地，歼灭由蒲县来犯之敌，以第685团于午城南北高地阻击由大宁出援之敌。18日，日军第108师团步骑兵800余人，在飞机掩护下，由蒲县出动，进犯午城。14时许，当日军全部进入伏击区时，第686团突然发起攻击。日军顿时隐入混乱，一部进入井沟、张庄据守，一部占领张庄以南地域顽抗。伏击部队乃迅速调整部署，乘敌立足未稳，对其展开围歼战。这时，日机6架轮番轰炸扫射。同时，被围日军在猛烈炮人掩护下，疯狂反扑，企图突围。第686团顽强战斗，打退日军的连续冲击。当晚，第343旅在游击支队的配合下，再次向日军发起猛攻，并以小分队组成战斗群，逐个歼灭隐藏于窑洞的小股日军。战至19日拂晓，日军除100余人突出重围外，其余均被歼灭。
午城、井沟战斗，八路军第115师主力共歼灭日军1000余人，焚毁汽车79辆，缴获骡马200余匹、各种枪支200余支、山炮2门及大批军用物资，自身伤亡200余人。此战，予日军以沉重打击，切断了蒲县至大宁段的交通，迫使大宁之日军东撤，从而粉碎了日军西犯黄河河防的企图，对晋西南抗日根据地的开辟和陕甘宁边区的巩固都具有重要意义。