10月29日，美第9军军长库尔特得知美第2师部队在龙源里受阻的消息之后，命令英第29旅立即北上，接应美第2师南下。30日，英第29旅进至龙源里以南地区。美第2师则以第9团开路，师主力跟进，由军隅里地区南下。此时，美第2师指挥4个步兵团（包括南朝鲜7师第3团），并配属土耳其旅和6个炮兵营、2个坦克营及一批特种兵分队，总兵力达2万余人。
美英军在大量飞机、坦克和炮兵的支援下，南北夹击，向志愿军第113师三所里、龙源里阵地猛攻。志愿军在龙源里地区担任阻击任务的部队只有4个营，但官兵们以与阵地共存亡的决心，顽强战斗，顶住了美英军潮水般的轮番进攻，牢牢地守住了阵地，南撤和北援之敌隔不到l公里，却只能相望而不能会合，彻底粉碎了美第2师由此处向顺川突围企图。
志愿军第38军主力及时赶到，于30日晨占领龙源里西北龙兴里、双龙里地区，将南撤的美第2师和土耳其旅拦腰截成数段，与敌展开激战。
第112师第335团3连进至松骨峰后，与敌遭遇。该连立即占领路旁高地，在毫无工事依托的阵地上，与蜂拥而来的美军激战5个多小时，始终未让美军前进一步。美军在屡攻不下的情况下，集中数十门火炮和近20辆坦克对志愿军该连阵地猛烈轰击，并以飞机投下了凝固汽油弹，将高地打成一片火海，步兵随后一拥而上。志愿军第335团3连在人员伤亡较大，粮弹殆尽的严重情况下，毫不畏惧，所有能战斗的人员，包括伤员，带着满身的火焰，奋勇扑向敌军，用枪托、刺刀、石头，甚至牙齿与敌人展开了殊死肉搏，谱写了一曲革命英雄主义的赞歌。
后来，著名作家魏巍主要依据3连的英雄事迹，写成了通讯《谁是最可爱的人》，于1951年4月11日在《人民日报》上发表。3连的壮举迅速传遍长城内外，大江南北。从此，祖国人民把一个崇高的称号——“最可爱的人”，送给了志愿军全体将士。
在第38军部队与敌激战的同时，第40军于30日3时攻占军隅里，歼灭美第2师1个营，随即军主力向安州方向攻进，在军隅里西南三浦里、马场里、松鹤里地区与敌激战竟日，另以一部向军隅里以南攻进，配合第38军围歼逃敌，于12月1日晨攻占吉古里；第39军于11月29日击溃偃武洞地区之敌后，第117师 于30日晨渡过清川江，进至军隅里西北之中兴里、下站地区，随即协同第40军部队在马场里地区同敌激战竟日。
战至30日16时，美第2师逐渐被志愿军压缩至数个狭小地域之中。30日17时，第38军在第40军、第39军配合下，向被围之敌发起总攻。以团为单位，兵分多路猛烈冲击。战至12月1日8时，基本打乱了美第2师的建制。
第38军在第二次战役中，英勇作战，对战役的顺利发展起到了重要作用。彭德怀司令员亲自起草电文稿，于12月1日与邓华等志愿军首长联名发出嘉奖令，嘉奖第38军：
此战役，克服了上次战役中个别同志某些过多顾虑，发挥了38军优良的战斗作风，尤以113师行动迅速，先敌占领三所里、龙源里，阻敌南逃、北援。敌机坦克各百余终日轰炸，反复突围，终未得逞，致昨三十日战果辉煌，计缴仅坦克、汽车即近千辆。被围之敌尚多，望克服困难，鼓起勇气，继续全歼被围之敌，并注意阻敌北援。特通令嘉奖，并祝你们继续胜利。中国人民志愿军万岁！三十八军万岁！[⑧]
美第2师从龙源里突围无望，且在志愿军各部猛烈突击下处于被分割的混乱状态，为摆脱被各个歼灭的命运，被迫放弃大量辎重装备，于12月1日8时开始转向安州方向突围。
志愿军总部迅即令第40军沿军隅里至安州、新安州追击残敌，相机占领之；第39军向龙源里以南之付岩里、龙伏里线前进，向肃川及以南派出侦察；第42军全力围歼清溪里之敌，并对成川、殷山派出警戒；第66军在军隅里、价川及以西集结，准备进至北仓里，割断平壤、元山之敌的交通联系。[⑨]同时向西线各军、师下达总追击令：“敌人现已打乱。望各追击部队勇猛作战，求得更多的歼灭敌人。”[⑩]
志愿军立即开展追歼作战。第38军分割穿插，继续猛攻被围之敌；第40军主力于12月1日晨进至军隅里以西都会里、合浦站一线，截歼逃敌；第39军第117师向龙伏里方向攻进；第66军在击破凤舞洞地区之敌抵抗后，于30日晚尾第39军渡江进至军隅里地区，随即以一部向南展开攻击；第50军则于30日推进至博川以西大化洞、天化洞地区，并于12月1日进至博川东南西松洞、都桃味里，逼近清川江畔的安州渡口。
战至1日19时，志愿军西线部队歼灭美第2师主力、土耳其旅大部和美第25师、南朝鲜第1师1部，残敌西逃安州。第40军紧紧尾追逃敌，于当晚占领安州。
据美国陆军官方战史透露，美第2师在清川江地区的战斗中，遭受歼灭性打击。至12月1日，该师按战时编制18000人，战后收拢人员时，只剩下8662人，重装备丢失殆尽，单兵装备丢失达40%。[11]
在志愿军西线主力围歼美军的同时，担任侧后迂回任务的志愿军第42军先后在清溪里、新仓里与美骑兵第1师展开激战，于12月1日进至顺川东南殷山里和丫波里地区。
美第8集团军从清川江畔撤退后，在肃川、顺川、新成川一线整顿队势，构筑防线。志愿军首长分析认为：西线美军遭我沉重打击后，目前企图以平壤为中心，以肃川、顺川、成川、三登为外围布置新防线，阻止我志愿军南进，东线美第10军陆l师在志愿军第9团攻歼下，有开始向咸兴收缩模样。敌人在志愿军东西两线强大打击下，有以平壤、元山、咸兴为基点，东西靠拢于狭窄地带建立防线，阻止志愿军南进，或重整阵容，再来进犯的两种可能。
此时，志愿军已经连续作战7天，部队已显疲劳，且敌军已形成新的防线，在肃川、顺川堵击退敌的时机已失。因此，12月1日24时，彭德怀等志愿军首长致电中央军委，认为：“根据敌退平壤部署，拟于肃川南北线侧击敌时机已到，着各军停止战役追击。各军……休息两至三天，整理组织，严密侦察警戒，打扫战场，准备继续作战，配合东线扩大战果。”
中央军委于12月2日5时，电示彭德怀等志愿军首长：如果安州、新安州地区的敌军确已退至肃川以南，“则我西线各主力军应在肃川、顺川之线以北地区调整位置，休息四至五天，整顿队势，补充粮弹，准备继续作战，配合东线，扩大战果”[12]。
