1937年9月，八路军一二〇师奉命来到晋西北开辟抗日根据地。到1940年初，晋西北完全成为八路军的活动区域。
日军对此十分惊恐，于1940年6月上旬派兵相继侵入静乐、方山、临县、岢岚、河曲、保德等地，企图对八路军一二〇师实施“扫荡”。针对敌人的进犯，一二〇师首长制定了“在战役初期以游击战争消耗敌人，待战役末期集中兵力歼其一路”作战方针。
6月28日，3000多名日军分4路进犯兴县，企图将驻扎在此的中共晋西北抗日根据地党政机关及八路军主力一网打尽。但在敌驱兵合围之际，根据地机关和一二〇师主力已转移至兴县西南地区。因找不到八路军主力，数日后各路日军陆续撤回原防，突入兴县县城的第九混成旅团遂成孤军之势。一二〇师师部判断，日军“扫荡”已近尾声，兴县之敌必将向岚县撤退，于是决定调集兵力在兴县城东二十里铺地区伏击日军。
7月1日，一二〇师下达作战命令：要求三五八旅、独一旅、五支队、三支队向预定战区挺进。经两昼夜冒雨强行军，3日下午各部渐抵指定位置。4日拂晓，八路军先头部队独一旅七一五团二营、二团一营进入阵地，五支队负责外围警戒。当日11时，兴县日军2000多人进入伏击圈，八路军战士立即发动袭击，敌人顿时被打得死伤一片。日军指挥官发现八路军重武器较少，于是命令集中炮火向八路军阵地轰击，并组织突击队，在炮火的掩护下发起冲锋，企图夺取八路军的阵地。八路军战士沉着应战，和敌人展开激烈厮杀。
战至下午1时，八路军打退了敌人的5次冲锋。与此同时，跑步赶来的八路军七一五团和二团主力以及七一六团相继投入战斗。日军见势不妙，慌忙收缩兵力，撤往阳会崖、明通沟等村落组织防御，八路军各部追击至村外，将敌人封锁起来。
战至晚8时，三五八旅和独一旅抽调14个连的精兵，冒雨向敌人发起猛攻，给敌人重大杀伤。敌指挥官见突围无望，一面指挥手下继续顽抗，一面疯狂向附近日军求援。
5日拂晓，附近各路日军纷纷出动，向战场赶来，但遭到八路军打援部队的阻击，前进缓慢。不久，敌人又调集大批飞机赶到战场上空轰炸扫射。鉴于各部已达到消灭敌人有生力量的作战目的，一二〇师于是命令参战各部交替掩护撤出战斗，并用尾击、侧击、截击等战术继续打击日军。
据统计，兴县二十里铺战斗共计毙、伤日伪军700余人。此战不仅创造了一个远距离运动击敌的经典战例，也进一步巩固了晋西北抗日根据地。