就在李云龍部轉戰至馬首時，385旅也到了陽泉附近，經過一夜的急行軍，385旅主力769團及14團一部于8月20日凌晨登上了獅腦山。
獅腦山距離陽泉礦區只有不到三公里，距離石太線不到兩公里，距離陽泉縣城不到15公里，這里地勢較趙家垴（尹靈芝鎮）至壽陽段相對平緩，但石太線依舊夾在兩山之間。
在這里，東進可以直接佯攻陽泉，側擊平定；北進可以攻擊陽泉礦區、盂縣；西進則可以破襲石太線、匯合陳更攻擊壽陽；就算是南退也可以攻擊昔陽、榆社，可謂是如同一顆釘子一樣死死的嵌在了石太線的咽喉要道。
最重要的是如果擋在這里，河北增援的日軍如果想要增援石太線，就必須要沖破獅腦山防線，否則要么繞道盂縣，要么繞道昔陽，最少要多走七個小時的路。
趕到獅腦山后，陳曦連立刻下令部隊一面修建工事，要求部隊發揚精神，務必在黎明之前將工事修筑完畢，一面派出聯絡員聯絡當地的游擊隊，準備做戰前的基本偵查工作。
獅腦山雖然地勢險峻，但是他知道這一戰將是一場惡戰，河北、陽泉的增援之敵不會少于四千人。
可是20日當天，386旅沒有那邊卻靜悄悄的，陽泉的日軍也沒有任何動靜，沒有任何增援或者進攻某一方向的意圖，戰士們正好抓住時機休息，等待大戰的來臨。
但是，由于周圍只有三個村，不到七百人，一個半團的戰士人太多了，想吃一口熱飯是不可能了，好在小米湯拌上炒面，加上一點咸菜味道也不錯。
山下的陽泉城，駐有獨立混成第4旅團司令部和下屬的第15大隊，經過偵查得知這里約有700余日軍和50多個偽警察，如果往常一樣，他們在平靜中度過了一天。
但是到了傍晚的時候，日軍第15大隊大隊長兼陽泉警備隊隊長德江光收到了漢奸的密保，說在陽泉以南80公里的地方有大批八路軍在集結。
而德江光并沒有在意，他認為即便是八路軍來襲陽泉，徒步尚需兩天時間，不可能一下子就會趕到。
此外漢奸還向他報告，說有許多不曾見過的男子在街上閑逛，德江到街上親自逛了一圈后，覺得這純屬是言過其實，此事也就不了了之，但他做夢也沒想到，八路軍已經在獅腦山潛伏了近一天時間。
當黑夜漸漸來臨的時候，陳曦連將部隊一分為三，一部以兩個連約300人的兵力佯攻陽泉，一部以一部以一個營500人的兵力攻擊陽泉礦區，而剩下的部隊則發動當地的地方部隊開始破襲石太線。
這正是陳曦連攪亂敵人、遲滯其反撲的一招高招，夜里22點，城外的槍炮聲、喊殺聲驚醒了已經睡下的旅團長片山省太郎，他也不清楚外面到底來了多少八路軍，只知道這伙八路軍攜帶有80毫米左右的迫擊炮，而按照八路軍一般的火力配置應該最少在兩個團，慌亂之中根本就敢出兵反擊。
他以為386旅又回來了，他再次回憶起，被那個長得像相聲演員的人支配的恐懼，他在任的兩年中，曾經不止一次聽說過他被擊斃的消息，但是用不了多久，他就又出來搞事情了。