日军部队由三个单位组成：

1、第16师团（中岛中将）野炮兵第22联队（三国大佐）第4大队（真边少佐）段列（林清辎重兵少尉），将校3人，士官及士兵87人，计90人，马81匹；（定员90人，马81匹）

2、第108师团（下元中将）辎重兵第108联队（粕谷辎重兵中佐）第2中队（笹尾二郎辎重兵中尉），将校5人，士官及兵338人，计343人，马264匹；（定员人562，马376。）

3、第108师团（下元中将）步兵第117联队（高树大佐）第2中队（三浦大尉）第3小队（伊藤步兵少尉）。将校1人，士官及兵51人，计52人；（定员54人）

另外，还有两名随军记者高桥正男、本多德治。

以上共计487人，马345匹。

此次战斗，据我方统计，毙伤日军1500余人，缴获骡马600余匹，枪550余只。我军伤亡仅240余人。我方统计与日军资料的统计数字有较大差别。据108师团老兵内藤清次郎回忆：日军第108师团参战伊藤小队和笹尾中队共计395人，（随军记者未算在内）却战死342人，失踪8人，负伤40人，仅5人安然无恙；林清部队参战林清辎重兵少尉以下57人，全部战死。这样，据日军统计，日军在神头岭战斗参战454人，共战死399人，失踪8人，马共损失314匹。(3)(15天后，即3月31日八路军在响堂铺战斗中被击毙的日军汽车伍长身上缴获的其在3月22日的日记记载：神头岭战斗108师团共计战死290人，失踪60人，负伤40人，“护卫的一个小队全灭了。这样的损害第108师团是没有过的”。