()11月1rì上午，彭德怀电话指示第39军军长吴信泉：第39军于11月1rì晚在第40军协同下，围歼云山之敌。根据彭德怀的命令，第39军军事会议决定：以第116师担任主攻，由西北方向沿三滩川两岸山麓向云山攻击前进；第117师主力由东北方实施助攻，首先歼灭三巨里之敌。之后，配合第116师围歼云山之敌；第115师345团由云山西面攻击前进。115师343团坚守云山至龙山洞公路之龙头洞，切断公路，阻击由龙山洞增援云山之敌，阻截云山之敌南逃。115师第344团仍留置泰川以北，阻击美第24师，确保侧后安全。同时规定，各部于17时前完成一切准备，19时30分对云山发起总攻。
116师受领了主攻云山的任务，师长汪洋召开作战会，作了进攻云山的部署：以347团、348团为一梯队，并肩实施进攻。347团一部从云山右翼正面进攻，主力从云山西南侧后包围进攻；348团1营从左翼正面进攻，团主力插至云山东南，切断通向上九洞的公路，与347团对云山之敌形成四面包围的态势。346团为师第二梯队，支援其他两个团的战斗。116师的作战部署被上级批准后，志愿军总部命令，11月1rì19时30分对云山敌人发起总攻。
当天15时，116师师长汪洋来到观察所，用高倍望远镜向敌阵地观察，发现敌阵地上的韩军汽车、步兵正在向后转移。汪洋判断：敌军要逃跑。遂向军指挥所建议：提前向云山发起进攻。第39军首长接受了建议，经志愿军总部批准，总攻云山的时间提前到16时40分。后来汪洋才知道，敌军移动，不是想逃跑，而是美军骑兵第8团与韩军第1师进行换防。
11月1rì16时40分，配属第39军的野战炮兵部队和各师团队属炮兵分队，对敌实施炮火急袭。第39军装备的苏联“喀秋莎”火箭炮，也首次投入实战，发挥了巨大威力。炮火准备之后，担任助攻任务的第l17师，在师长张竭诚指挥下，首先从云山东北方向的泥踏洞地区发起进攻。守卫此地的是韩军第15团，并得到了美军炮群的支援。美军的炮火非常猛烈，在志愿军进攻的道路上，打出了一片火幕。第l17师3路出击，越过炮火拦截，很快突破了韩军的前沿阵地。韩军收缩阵地，死守核心阵地三巨里。志愿军冲入三巨里高地，与韩军展开了肉搏。另外分出一支部队，扑向美军炮兵阵地。美军炮兵见势不妙，丢下大炮仓惶南撤。韩军失去了美军炮火支援，也丢下阵地，落荒而逃。志愿军攻占了三巨里，随后兵分两路，一路直奔云山城区，另一路向上九洞攻击前进。战至23时，韩军第15团绝大部分被歼灭，只有极少人侥幸逃月兑。
担任主攻的第l16师，在汪洋师长指挥下，在云山西北方向发起了进攻。在这里防守的部队，是美骑兵第8团的第1营和第2营。汪洋一声令下，第347团主力和第348团如两把尖刀，直捣美军阵地。志愿军的冲锋号声、喊杀声、枪炮声、手榴弹爆炸声响成一片。志愿军以绝对优势的兵力和英勇无畏的气势压倒了敌人。经过激烈的战斗，到晚上22时，美骑兵第8团第1营和第2营的阵地全部被志愿军突破，美军残部向云山城内狼狈逃窜。
11月2rì凌晨2时，汪洋师长将第二梯队346团投入战斗。随着隆隆的炮声，346团3个营从东、西、北三个方向先后攻入云山城内。346团4连从美军间隙直插街内，战斗在街内形成了短兵相接的肉搏战，杀声四起，刺刀见红。美国兵从未见过如此神速的猛扑，更不适应近距离的白刃战，被打得晕头转向，死伤惨重。紧随着第4连，志愿军其它部队从四面八方突人了云山城。美骑兵第8团团长帕尔莫尝到了中**队的厉害，由骄横傲慢、不可一世变成了斗败的公鸡，带领残部向南溃逃。11月2rì3时30分，志愿军第116师攻占了云山城。
战后，汪洋师长巡视了胜利后的云山战场，到处都是佩带“马头”臂章的美军尸体和坦克、大炮、汽车及其他装备。美军运尸体的8辆“道奇”大汽车被截住，车上每层10具尸体，头脚颠倒放置，一共装了5层，共计50具，8车共400具，每具都穿一套全新的白线衣裤。以此来推算，美军在116师正面上的伤亡，即在1200至1600人以上。实际情况还有许多死伤者被遗弃在战场上。因此，实际伤亡人数将大大超过1400人。美军伤亡主要是被轻武器所致，伤的比例较大。
云山有一条向南的公路，在其南面的西迂洞分叉成两条路：一条路通向龙山洞，一条路经上九洞、立石通向宁边。由于通往龙山洞的公路已被切断，美骑兵第8团团长帕尔莫，命令部队向立石方向撤退。美军先头部队刚刚通过西迂洞路口，即被志愿军挡住了去路。担负穿插任务的志愿军第348团第2营主力，如神兵天降，一举攻占西迂洞路口，封锁了美军南撤的通路。志愿军348团2营9连爆破组长范吉太，一跃而起，用爆破筒击毁了领头的坦克。跟随而至的汽车，撞到了瘫痪的坦克上，一辆接着一辆地在公路上塞起了长龙。志愿军将士乘敌混乱，勇敢地冲人敌群，与敌展开白刃格斗。美军几次反击，都无法打开通路。帕尔莫只好下令部队抛弃重装备，分散突围。这样，美第8骑兵团第l、2营残部的坦克、卡车、榴弹炮都被抛弃了，活着的官兵在夜幕掩护下，有的逃向了诸仁桥地区，有的逃人深山。116师第348团第2营歼敌100余人，缴获坦克4辆，汽车30余辆，榴炮9门。该营4连1排还乘胜攻占云山机场，缴获炮兵校shè机l架、轻型运输机2架。第347团3营主力，沿三滩川东岸向云山东侧攻击前进。于2rì3时进至云山东南5公里处，切断云山至上九洞的公路。至此，云山向南的公路，都被志愿军切断。