志愿軍首長在命令中強調：敵軍戰(zhàn)斗力不強，突擊力更差，尤怕近戰(zhàn)夜戰(zhàn)和切斷后路，只是飛機優(yōu)勢對我阻力較大，因此各軍對運動中與立足未穩(wěn)之敵，應發(fā)揚勇猛精神，迅速捕捉包圍，敢于斷敵后路，敢于逼近敵人，善于迅速組織短促火力、兵力猛追敵人。各部均應組織輕重機槍對俯沖敵機準確猛射，使敵機炮火不能發(fā)揮威力，則勝利定有把握。

11月1日黃昏，志愿軍西線部隊根據上述部署，開始對清川江以北地區(qū)的南朝鮮軍和美英軍展開猛烈攻擊。

云山是朝鮮民主主義人民共和國平安北道云山郡政府所在地，是朝鮮北部的交通樞紐，有通向東北的云（山）溫(井)公路，通向西北的云(山)昌（城）公路，通向東南的云（山）寧（邊）公路，通向西南的云（山）博（川）公路。北有三灘川，東有溫田川，西有龍興江，南有九龍江。城區(qū)周圍群山連綿，山上密林覆蓋，山谷河流縱橫。

10月31日，美騎兵第1師師部及第5團到達龍山洞，第8團開始在云山接替南朝鮮第1師防務，南朝鮮第1師率第11、第12團向寧邊、立石移動，第15團留置云山東側的三灘川東岸。

11月1日上午，南朝鮮第1師第12團在美軍坦克的支援下，集中兵力向云山城北的志愿軍第39軍陣地發(fā)動猛烈進攻，企圖為美軍打開北進的通道，遭到志愿軍第39軍部隊的堅決阻擊，毫無進展，于1日中午開始撤往立石。

志愿軍第39軍已于10月30日完成了對云山的三面包圍。第39軍最初建議在10月31日19時30分發(fā)起總攻。[④]志愿軍首長指示：總攻云山，應待第38軍主力攻占球場、院里，威脅安州，調動美第24師回援時為好。[⑤]11月1日上午，彭德懷電話指示第39軍軍長吳信泉：第39軍于11月1日晚在第40軍協(xié)同下，封殲云山之敵。[⑥]

根據彭德懷的命令，第39軍決定：以第116師擔任主攻，由西北方向沿三灘川兩岸山麓經龍埔洞、262.8高地、間洞、朝陽洞向云山攻擊前進，并以一部兵力向上九洞方向發(fā)展進攻；第117師主力由東北方向實施助攻，首先殲滅三巨里之敵，爾后在間洞與第116師左翼團會合，從東面進攻云山，配合第116師圍殲云山之敵，另以1個團迅速插到上九洞斷敵退路；第115師以1個團由云山以西的諸仁洞沿公路兩側向立石上洞、立石下洞、棲鳳洞、下草洞攻擊前進，另以1個團進至云山至龍山洞公路之龍頭洞，切斷公路，阻擊由龍山洞增援云山之敵。第115師第344團仍留置泰川以北，阻擊美第24師，確保側后安全。同時規(guī)定，各部于17時前完成一切準備，19時30分對云山發(fā)起總攻。

11月1日早晨，云山地區(qū)大霧彌漫。美騎兵第1師接到空中偵察報告：在云山四周地區(qū)發(fā)現有大批部隊移動。騎兵第1師師長蓋伊隨即向美第1軍要求將該師留置清川江南岸的第7團調至龍山洞，同時令位于龍山洞的第5團立即派出搜索隊，向云山方向前進，確保云山通往龍山洞的公路暢通。

1日中午，美第5團派出的搜索隊由龍山洞向北運動。擔負阻援任務的志愿軍第115師第343團發(fā)現美軍搜索隊出動，立即由明堂洞向預定阻擊地域龍頭洞開進。13時許，該團先頭連搶占葉龍頭洞以北的185.5陸地，先敵開火，將敵擊退。隨后，第343團迅速展開于龍頭洞東北公路兩側高地，切斷了云山至博川的公路，堅決阻擊龍山洞美第5團增援云山。

龍頭洞戰(zhàn)斗，奏響了云山戰(zhàn)斗的序曲。此時，南朝鮮第12團由于在進攻作戰(zhàn)中傷亡慘重，不待美軍完全接防，即撤離城外高地，向立石移動。美第8團只得倉促進入陣地。這樣，到1日下午，在云地區(qū)，美第8團部署于云山城外的北、西、南三個方向，而南朝鮮第15團則部署于云山城外東北、東、東南三方向。

志愿軍第39軍主力密切注視著云山城內敵軍的動向，并做好了一切進攻準備。下午15時30分左右，第116師觀察所發(fā)現云山外圍高地上的敵軍在炮火掩護下后撤，同時云山城內有敵汽車不斷向南移動。第116師首長判斷：敵軍可能已經發(fā)現志愿軍的進攻意圖，準備逃跑，遂向軍指揮所建議：提前向云山發(fā)起進攻。

第39軍首長立即決定，乘敵后撤混亂的有利時機，提前總攻云山。15時50分，第39軍電告志愿軍總部：“云山敵于-日十五時三十分開始撤退，我已下令出擊。”[⑦]志愿軍總部批準了第39軍的決定。 擔負斷敵退路任務的第115師第345團首先發(fā)起進攻。云山城南約5公里處，九龍江蜿蜒曲折，形成了一個形似“駱駝鼻子”的彎曲部，龍興江在此注入九龍江，由云山通往龍山洞的公路也由此通過，江上的諸仁橋是云山之敵南撤的必經之路。第345團突破當面之敵陣地后，以1個營攻占橋南的324.2高地，以2個營直插諸仁橋。戰(zhàn)至2日l時30分，該團第2營第4連攻占諸仁橋，切斷了敵人南逃的退路。

1日17時，第9軍主力開始總攻云山。配屬第39軍的野戰(zhàn)炮兵部隊和各師團隊屬炮兵分隊對敵實施炮火急襲，第39軍裝備的六管火箭炮也首次投入實戰(zhàn)，對敵縱深目標實施兩次齊射。10分鐘后，軍主力2個師，兵分3路，向云山城發(fā)起全面進攻。

擔任主攻云山任務的第116師，以第348團在左，第347團在右，并肩展開4個突擊營，沿三灘川東西兩岸向云山猛攻。右翼第347團先頭第2營于23時30分突破敵龍埔洞一線的外圍陣地，率先突入云山街區(qū)；第3營沖破美軍的層層阻擊，也于2日2時許從北、兩個方向突入云山街內。左翼第348團攻占朝陽洞后，主力向云山城攻擊，2日2時，第3營第7連第2排率先突入云山東街口，截住了正從云山城外撤的敵軍。第117師發(fā)起攻擊后，經3個多小時激戰(zhàn)，攻占三巨里。隨后，師主力協(xié)同第116師，殲滅朝陽洞地區(qū)之敵，爾后向云山發(fā)展進攻。另以1個團涉過溫田川，于2日6時進至上九洞。總攻發(fā)起前，第39軍雖得知美騎兵第1師已經向云山地區(qū)移動，但并不知曉其已經接替南朝鮮軍的防務，因此主要進行圍殲南朝鮮第1師的準備。進攻發(fā)起后，各路部隊攻入敵陣，發(fā)現交戰(zhàn)的均為美軍部隊，經審訊俘虜后，方得知美騎兵第1師已經在云山布防。

美國陸軍騎兵第1師，創(chuàng)建于美國獨立戰(zhàn)爭期間，號稱“開國元勛師”，參加過兩次世界大戰(zhàn)，是美軍的“王牌師”。該師為全部機械化裝備，為了保持部隊榮譽，仍保留了“騎兵師”的番號。進入云山的第8團，加強了美第9野戰(zhàn)炮兵營、第6坦克營等分隊，火力和機動力很強。另外尚有南朝鮮第15團協(xié)助防御。

志愿軍第39軍發(fā)現云山是美軍“王牌師”后，斗志更加昂揚，攻擊更加猛烈。第116師第347團第2營第7連沿云山街由北向南猛打猛沖，發(fā)現3輛坦克引導滿載步兵的10余輛汽車向城外逃竄，立即發(fā)起沖擊，將其沖散，迫其棄車逃命，隨即攻占了云山南側無名高地，切斷城內美軍向南的退路；第3營則在攻進云山街后，一舉殲滅美軍1個榴炮連。2日2時許，第116師預備隊第346團第2營投入戰(zhàn)斗，從兩個一梯隊團之間，直插云山城內。該營尖刀連4連與美軍展開巷戰(zhàn)，擊潰街道上的敵人，與一梯隊在街區(qū)會合。戰(zhàn)至2日3時30分，第116師勝利攻占云山城。在志愿軍的猛烈進攻下，南朝鮮第15團遭到殲滅性打擊，美第8團也傷亡慘重，已經無力繼續(xù)防御，只得利用夜暗分頭向立石、寧邊、龍山洞逃竄。

志愿軍第39軍部隊對逃竄之敵展開堅決的阻擊和追擊。第348團第2營主力于2日l時30分在云山南2公里的公路交叉口處，與美軍1個營遭遇，即搶占公路兩側有利地形，炸毀敵先頭坦克，堵塞道路，并乘敵混亂，勇敢地沖入敵群，與敵展開白刃格斗，殲敵100余人，繳獲坦克4輛，汽車30余輛，榴炮9門。該營4連1排還乘勝攻占云山機場，繳獲炮兵校射機1架、輕型運輸機2架。 第347團第3營主力沿三灘川東岸向云山東側攻擊前進，于2日3時進至云山東南5公里處，切斷云山至上九洞的公路。營主力繼續(xù)向上九洞攻擊前進，殲滅美軍1個榴炮營大部。戰(zhàn)至2日清晨，云山郊區(qū)和城東、城北的戰(zhàn)斗基本結束。美第8團和南朝鮮第15團大部被殲，余下的美第8團指揮機構和第3營被志愿軍第345團壓縮包圍于云山城南諸仁橋以北、立石下洞公路以西的河灘開闊地。他們在坦克掩護下，多次向諸仁橋發(fā)起沖擊，企圖向龍山洞突圍。志愿軍1個連憑借橋頭兩側有利也形，在團主力的支援下頑強阻擊，未使美軍前進一步。美軍見突圍無望，遂構筑工事固守待援。

云山戰(zhàn)斗打響后，位于龍山洞的美騎兵第1師主力全力向北增援，與志愿軍第115師第343團在龍頭洞展開激戰(zhàn)。第343團在穩(wěn)固防守的基礎上，于1日晚對敵展開反擊。主攻連第1連以勇猛的動作楔入敵陣，僅用50分鐘即攻占龍頭洞，殲滅美騎兵第1師第5團1個連，計100余人，繳獲迫擊炮3門。

11月2日，志愿軍司令部對第343團l連予以“通令嘉獎”，并指出：“從此次作戰(zhàn)中，可看出我軍指戰(zhàn)員的戰(zhàn)斗素養(yǎng)與作戰(zhàn)精神比敵人強，我以一個連即能殲美軍一個連?！盵⑧]