仅仅几个小时，39军旋风般席卷了云山外围阵地，美军战俘凄凄惨惨地说："午夜刚过，南朝鲜15团就不再是一支战斗建制部队了，大部分战死或做了俘虏，侥幸逃脱者极少。"南朝鲜12团此时也已化为乌有，连美军自己的阵地也丢了不少。中国士兵们勇猛到了极点，两个冲上美军机枪阵地的战士动作太凶，连开枪都来不及，干脆一合力，连机枪带美军射手一起掀到了悬崖下面……
一阵激战过后，美国人丢了城外所有阵地，开始向云山城内狼狈逃窜。
直到这时，39军才发现打的是美国人，而且是美军王牌骑1师。吴信泉略一沉思，告诉政委徐斌洲："吃肉碰到块骨头，怪不得火力这么强，原来是美国人的王牌军，继续进攻，老子才是王牌!"
徐斌洲激动了："我们军出国第一仗就与美军王牌交手，这是我们军的幸运，应该告诉战士们，发扬39军近战夜战的特长和大无畏的革命精神，首先从气势上压倒敌人!"
彭德怀的电报来了，吴徐两将立时肃然，电文只有一句话："坚决消灭美军王牌师!"
彭德怀的命令立刻传达到每一个战士，战士们英雄豪气更盛，一个个嗷嗷直叫："它是王牌，老子就是王中王，专克狗日的王牌军!"
打到23时，云山城外所有高地都装进了39军的口袋，现在就剩云山城了。
师长汪洋叫来了预备队346团团长吴宝光："看到脚下的云山城了吗?老子偏爱你们团，你团去主攻，别给老子丢脸!"
"谢谢师长喽，我要给他来个中心开花!"吴宝光乐滋滋地回答。这个悍将亲自挑了一个尖刀连第4连："师长偏爱咱们团，老子偏爱你们连，不许恋战，不顾一切冲进云山城中心开花，为主力打开通路，不许给老子丢脸!"
第4连的战士没有给师团首长丢脸，他们的机智壮举甚至被敌方每一本记叙那场战斗的书籍宣扬。
在夜幕中，勇士们摆成整齐的战斗队形向云山城走去。美军果然迷惑了，以为这是一支退下来的南朝鲜部队。在进云山的必经之地三滩川大桥，胆大包天又机智无比的中国战士还满面笑容地同严密设防的美军士兵握手，让美军士兵深深感受了"美韩友谊的温暖"。就这样，一整个中国连队迈着正步昂首阔步走进了云山城。
"一个连的士兵纵队沿着通往龙山洞的干道上严肃而整齐地接近南面。警戒该桥的美军士兵可能认为他们是南朝鲜军队，没有查问就让其通过了，因为他们是堂堂正正、十分肃静地走过来的。"美军战俘心酸而又不无赞扬地写道。
过了桥4连干了些什么呢?美军战俘继续写："纵队通过桥之后一直在干道上北进，不久接近了营部，突然吹起了军号，开始一齐向营部袭击。中国人胡乱开火，不断向车里扔手榴弹、炸药包，车被打着了。可指挥所周围有些分队还在狐洞或隐蔽工事里呼呼大睡……其中一个士兵以后回忆说，醒来时仗早已打响了……有人叫醒我后问我有没有听见一群马在奔腾嘶鸣……转眼间我们的驻地就被打得千疮百孔……当我听见远方的军号声和马蹄声，我以为我还在梦乡。敌人仿佛腾云驾雾，从天而降，人影模糊不清，他们见人就开枪，甚至用刺刀捅!"
就这样转眼之间，拉下伪装的4连变了脸，把云山城变成了美军的屠场。一颗手榴弹飞进美军营部，营长奥德蒙德少校立刻重伤，浑身上下插满了弹片。有个战士气鼓鼓地冲进美军指挥所院内，面对一群不知所措的美国兵大叫："老子才是王牌!服不服气!不服气再打!"说完对天就是一梭子，这群美国兵听不懂中文，听懂了枪声，连忙举起了双手。一个名叫赵子林的副班长看着被他炸毁的美军重坦克笑弯了腰，他看到那辆坦克被炸毁后，由于惯性又前冲压扁了一辆吉普车，车上几名美军被冰冷的钢铁挤成了肉酱。
随着4连中心开花，39军主力部队一齐从四面八方拥进了云山城。348团神兵天降，一举攻占了西迂洞路口，封锁了美军南撤通路。他们还攻占了云山机场，开创了朝鲜战场上中国军队唯一的战例---缴获了4架美国飞机(天亮后又被炸没了)!
到凌晨时分，美军第8团战斗队全面崩溃了。第8团的士兵们有的逃向深山，有的往南飞跑。但噩梦还没有结束，到处都有堵截他们的中国士兵。在云山以南15公里的公路口，一支志愿军分队冲到美军车队中展开了惨烈的肉搏战，一个名叫赵顺山的战士对着击伤自己战友的美国兵就是一镐头。
"敌人用两手抱住脑袋也救不了他，我的洋镐穿过他的手背，整个刨进他的脑袋里!"赵顺山晚年回忆起当时的血战仍是热血沸腾："这就是我的出国第一仗，这一仗我真正试了试美国人的斤两，所谓的'王牌'不过如此，胜利永远是我们的!"
眼看着骑8团被歼，被王扶之堵住的骑5团拼命进攻，以图救出兄弟团队。美第1军军长米尔本和骑1师师长盖伊均亲临前线督战。骑5团团长约翰逊上校精神大振，亲自披挂上阵指挥冲锋，当即被1颗中国迫击炮弹撕得四分五裂……
米尔本军长久久凝视着几公里外的志愿军阵地，铁青着脸下令："我命令部队放弃进攻，立即向南撤退。"
盖伊师长大惊失色，欲待争辩，米尔本摆摆手："我明白你要说什么，我和你们一样痛恨这个决定，但我对此承担责任，这是我一生中作出的最让我心碎的决定。"
米尔本军长说完就扬长而去，留下不停拭泪的师长盖伊。眼泪流干后，盖伊呜咽着说："执行命令，让第5团撤出战斗，愿上帝保佑他们!"
历史记下了这一刻，这次战斗是中美两军第一次交手。在中国王牌军39军和美国王牌军骑1师的决斗中，39军大胜。他们毙伤俘美军1800人，击落飞机3架，缴获飞机4架，击毁缴获坦克28辆，汽车170辆，火炮119门。这次战斗是美国骑1师在其辉煌的军史上第一次惨败，其骑8团第3营被全歼。11月6日，美国陆军被迫撤销了这个营的番号(被撤销番号是任何国家、任何部队最害怕的耻辱)。几十年后，一个参加过云山之战的美国军官在接受采访时仍心有余悸："云山?我的上帝，那是一次中国式的葬礼!"
主导此次葬礼的彭德怀哈哈大笑："从没吃过败仗的美国常胜师---骑1师这回吃了败仗，败在我们39军的手下!"
云山之战是中国军队首次以极端劣势装备打败美军的一个模范战例，它被日本陆军自卫队干部学校专门收入《作战理论入门》一书，具有国际性的影响。