()11月1r 上午，彭德懷電話指示第39軍軍長吳信泉︰第39軍于11月1r 晚在第40軍協同下，圍殲雲山之敵。根據彭德懷的命令，第39軍軍事會議決定︰以第116師擔任主攻，由西北方向沿三灘川兩岸山麓向雲山攻擊前進；第117師主力由東北方實施助攻，首先殲滅三巨里之敵。之後，配合第116師圍殲雲山之敵；第115師345團由雲山西面攻擊前進。115師343團堅守雲山至龍山洞公路之龍頭洞，切斷公路，阻擊由龍山洞增援雲山之敵，阻截雲山之敵南逃。115師第344團仍留置泰川以北，阻擊美第24師，確保側後安全。同時規定，各部于17時前完成一切準備，19時30分對雲山發起總攻。
116師受領了主攻雲山的任務，師長汪洋召開作戰會，作了進攻雲山的部署︰以347團、348團為一梯隊，並肩實施進攻。347團一部從雲山右翼正面進攻，主力從雲山西南側後包圍進攻；348團1營從左翼正面進攻，團主力插至雲山東南，切斷通向上九洞的公路，與347團對雲山之敵形成四面包圍的態勢。346團為師第二梯隊，支援其他兩個團的戰斗。116師的作戰部署被上級批準後，志願軍總部命令，11月1r 19時30分對雲山敵人發起總攻。
當天15時，116師師長汪洋來到觀察所，用高倍望遠鏡向敵陣地觀察，發現敵陣地上的韓軍汽車、步兵正在向後轉移。汪洋判斷︰敵軍要逃跑。遂向軍指揮所建議︰提前向雲山發起進攻。第39軍首長接受了建議，經志願軍總部批準，總攻雲山的時間提前到16時40分。後來汪洋才知道，敵軍移動，不是想逃跑，而是美軍騎兵第8團與韓軍第1師進行換防。
11月1r 16時40分，配屬第39軍的野戰炮兵部隊和各師團隊屬炮兵分隊，對敵實施炮火急襲。第39軍裝備的蘇聯「喀秋莎」火箭炮，也首次投入實戰，發揮了巨大威力。炮火準備之後，擔任助攻任務的第l17師，在師長張竭誠指揮下，首先從雲山東北方向的泥踏洞地區發起進攻。守衛此地的是韓軍第15團，並得到了美軍炮群的支援。美軍的炮火非常猛烈，在志願軍進攻的道路上，打出了一片火幕。第l17師3路出擊，越過炮火攔截，很快突破了韓軍的前沿陣地。韓軍收縮陣地，死守核心陣地三巨里。志願軍沖入三巨里高地，與韓軍展開了肉搏。另外分出一支部隊，撲向美軍炮兵陣地。美軍炮兵見勢不妙，丟下大炮倉惶南撤。韓軍失去了美軍炮火支援，也丟下陣地，落荒而逃。志願軍攻佔了三巨里，隨後兵分兩路，一路直奔雲山城區，另一路向上九洞攻擊前進。戰至23時，韓軍第15團絕大部分被殲滅，只有極少人僥幸逃月兌。
擔任主攻的第l16師，在汪洋師長指揮下，在雲山西北方向發起了進攻。在這里防守的部隊，是美騎兵第8團的第1營和第2營。汪洋一聲令下，第347團主力和第348團如兩把尖刀，直搗美軍陣地。志願軍的沖鋒號聲、喊殺聲、槍炮聲、手榴彈爆炸聲響成一片。志願軍以絕對優勢的兵力和英勇無畏的氣勢壓倒了敵人。經過激烈的戰斗，到晚上22時，美騎兵第8團第1營和第2營的陣地全部被志願軍突破，美軍殘部向雲山城內狼狽逃竄。
11月2r 凌晨2時，汪洋師長將第二梯隊346團投入戰斗。隨著隆隆的炮聲，346團3個營從東、西、北三個方向先後攻入雲山城內。346團4連從美軍間隙直插街內，戰斗在街內形成了短兵相接的肉搏戰，殺聲四起，刺刀見紅。美國兵從未見過如此神速的猛撲，更不適應近距離的白刃戰，被打得暈頭轉向，死傷慘重。緊隨著第4連，志願軍其它部隊從四面八方突人了雲山城。美騎兵第8團團長帕爾莫嘗到了中**隊的厲害，由驕橫傲慢、不可一世變成了斗敗的公雞，帶領殘部向南潰逃。11月2r 3時30分，志願軍第116師攻佔了雲山城。
戰後，汪洋師長巡視了勝利後的雲山戰場，到處都是佩帶「馬頭」臂章的美軍尸體和坦克、大炮、汽車及其他裝備。美軍運尸體的8輛「道奇」大汽車被截住，車上每層10具尸體，頭腳顛倒放置，一共裝了5層，共計50具，8車共400具，每具都穿一套全新的白線衣褲。以此來推算，美軍在116師正面上的傷亡，即在1200至1600人以上。實際情況還有許多死傷者被遺棄在戰場上。因此，實際傷亡人數將大大超過1400人。美軍傷亡主要是被輕武器所致，傷的比例較大。
雲山有一條向南的公路，在其南面的西迂洞分叉成兩條路︰一條路通向龍山洞，一條路經上九洞、立石通向寧邊。由于通往龍山洞的公路已被切斷，美騎兵第8團團長帕爾莫，命令部隊向立石方向撤退。美軍先頭部隊剛剛通過西迂洞路口，即被志願軍擋住了去路。擔負穿插任務的志願軍第348團第2營主力，如神兵天降，一舉攻佔西迂洞路口，封鎖了美軍南撤的通路。志願軍348團2營9連爆破組長範吉太，一躍而起，用爆破筒擊毀了領頭的坦克。跟隨而至的汽車，撞到了癱瘓的坦克上，一輛接著一輛地在公路上塞起了長龍。志願軍將士乘敵混亂，勇敢地沖人敵群，與敵展開白刃格斗。美軍幾次反擊，都無法打開通路。帕爾莫只好下令部隊拋棄重裝備，分散突圍。這樣，美第8騎兵團第l、2營殘部的坦克、卡車、榴彈炮都被拋棄了，活著的官兵在夜幕掩護下，有的逃向了諸仁橋地區，有的逃人深山。116師第348團第2營殲敵100余人，繳獲坦克4輛，汽車30余輛，榴炮9門。該營4連1排還乘勝攻佔雲山機場，繳獲炮兵校sh 機l架、輕型運輸機2架。第347團3營主力，沿三灘川東岸向雲山東側攻擊前進。于2r 3時進至雲山東南5公里處，切斷雲山至上九洞的公路。至此，雲山向南的公路，都被志願軍切斷。