晉西南地區位於黃河以東、同蒲路以西、汾離公路以南，呂梁山脈縱貫南北，是陝甘寧邊區的東部屏障和聯繫晉冀豫邊抗日根據地的紐帶。早在太原失陷前，毛澤東就電示八路軍總部，於適當時機派部隊進至呂梁山脈活動，太原失守的當天，毛澤東又進一步指出：「呂梁山脈是八路軍的主要根據地；但其工作尚未開始，因此，不但徐旅（徐海東，第115師第344旅）須立即迅速轉移，林率陳旅（陳光，第115師第343旅）亦不應在東邊戀戰，亦以立即開始轉移為宜。」據此，八路軍總部於1937年11月9日令第115師師部率第343旅由正太路南進，適時轉向呂梁山脈，創建晉西南抗日根據地。第344旅則隨八路軍總部繼續在正太路沿線活動。第115師主力於12月南下進抵洪洞、趙城地區後，就地進行休整補充。
1938年2月中旬，日華北方面軍第1軍向晉西南地區發動大規模進攻，國民黨軍紛紛退向晉南和黃河西岸，呂梁山部分地區變為敵後。第115師師部率第343旅由洪洞，趙城地區進至孝義地區打擊日軍。2月19日，第343旅在孝義以西之兌九峪、辛庄等地，側擊、襲擊由孝義西進之日軍，並於20日收復大麥郊。21日，該旅在川口附近與由雙池鎮西犯之日軍1600餘人進行激戰，斃傷日軍200餘人，阻止了該路日軍的西進。第115師主力在積極打擊日軍的同時，抽調幹部組成工作隊，深入石樓、永和等縣，發動群眾，組織抗日游擊隊，開創抗日根據地。
2月下旬，日軍在佔領隰縣、臨汾後，繼續向西、向南推進，直接威脅陝甘寧邊區的安全。第115師師長林彪（3月2日，林彪在限縣以北的千家莊為國民黨軍哨兵誤傷，回延安治療，由第343旅旅長陳光代理師長）、政治部主任羅榮桓根據毛澤東關於鞏固戰略樞紐和尋機殲敵的指示，一面組織工作隊深入各地發動群眾建立抗日根據地，一面率主力進至隰縣、午城地區待機殲敵。
3月14日12時許，第115師先遣分隊在午城鎮以東地區與由蒲縣西進之日軍第20師團先頭部隊遭遇，先遣分隊先敵展開，搶佔有利地形，經2小時激戰，斃傷日軍100餘人後，主動轉移至午城西北高地，繼續鉗制日軍，掩護主力進至機動位置。14時許，日軍進佔午城，並繼續西犯進佔大寧。16日，第343旅主力隱蔽於大寧以東之羅曲、午城、井溝公路兩側，待機殲敵。當日，日軍輜重部隊200餘人、騾馬100餘匹，由午城西進至羅曲村附近時，被第343旅第685團全殲。17日，蒲縣之日軍汽車60餘輛，向大寧運送物資，當進至井溝以西地區時，預伏於該地的第343旅第686團突然出擊，殲其200餘人，繳獲汽車6輛。同日，第685團於羅曲村將由大寧出來接應其輜重車隊的日軍500餘人擊退。當夜，第343旅又以第686團第3營和第685團2個連夜襲午城，斃敵50餘人，繳獲輕機槍5挺、步槍60餘支，燒毀汽車10餘輛。午城日軍乘夜暗突圍逃竄。
午城戰鬥後，第115師首長判斷日軍連遭打擊，其主力必來報復，當即決定再次伏擊日軍，令第343旅以第686團和汾西遊擊隊預伏於井溝至張庄公路兩側高地，殲滅由蒲縣來犯之敵，以第685團於午城南北高地阻擊由大寧出援之敵。18日，日軍第108師團步騎兵800餘人，在飛機掩護下，由蒲縣出動，進犯午城。14時許，當日軍全部進入伏擊區時，第686團突然發起攻擊。日軍頓時隱入混亂，一部進入井溝、張庄據守，一部佔領張庄以南地域頑抗。伏擊部隊乃迅速調整部署，乘敵立足未穩，對其展開圍殲戰。這時，日機6架輪番轟炸掃射。同時，被圍日軍在猛烈炮人掩護下，瘋狂反撲，企圖突圍。第686團頑強戰鬥，打退日軍的連續衝擊。當晚，第343旅在游擊支隊的配合下，再次向日軍發起猛攻，並以小分隊組成戰鬥群，逐個殲滅隱藏於窯洞的小股日軍。戰至19日拂曉，日軍除100餘人突出重圍外，其餘均被殲滅。
午城、井溝戰鬥，八路軍第115師主力共殲滅日軍1000餘人，焚毀汽車79輛，繳獲騾馬200餘匹、各種槍支200餘支、山炮2門及大批軍用物資，自身傷亡200餘人。此戰，予日軍以沉重打擊，切斷了蒲縣至大寧段的交通，迫使大寧之日軍東撤，從而粉碎了日軍西犯黃河河防的企圖，對晉西南抗日根據地的開闢和陝甘寧邊區的鞏固都具有重要意義。