志愿军首长在命令中强调：敌军战斗力不强，突击力更差，尤怕近战夜战和切断后路，只是飞机优势对我阻力较大，因此各军对运动中与立足未稳之敌，应发扬勇猛精神，迅速捕捉包围，敢于断敌后路，敢于逼近敌人，善于迅速组织短促火力、兵力猛追敌人。各部均应组织轻重机枪对俯冲敌机准确猛射，使敌机炮火不能发挥威力，则胜利定有把握。
11月1日黄昏，志愿军西线部队根据上述部署，开始对清川江以北地区的南朝鲜军和美英军展开猛烈攻击。
云山是朝鲜民主主义人民共和国平安北道云山郡政府所在地，是朝鲜北部的交通枢纽，有通向东北的云（山）温(井)公路，通向西北的云(山)昌（城）公路，通向东南的云（山）宁（边）公路，通向西南的云（山）博（川）公路。北有三滩川，东有温田川，西有龙兴江，南有九龙江。城区周围群山连绵，山上密林覆盖，山谷河流纵横。
10月31日，美骑兵第1师师部及第5团到达龙山洞，第8团开始在云山接替南朝鲜第1师防务，南朝鲜第1师率第11、第12团向宁边、立石移动，第15团留置云山东侧的三滩川东岸。
11月1日上午，南朝鲜第1师第12团在美军坦克的支援下，集中兵力向云山城北的志愿军第39军阵地发动猛烈进攻，企图为美军打开北进的通道，遭到志愿军第39军部队的坚决阻击，毫无进展，于1日中午开始撤往立石。
志愿军第39军已于10月30日完成了对云山的三面包围。第39军最初建议在10月31日19时30分发起总攻。[④]志愿军首长指示：总攻云山，应待第38军主力攻占球场、院里，威胁安州，调动美第24师回援时为好。[⑤]11月1日上午，彭德怀电话指示第39军军长吴信泉：第39军于11月1日晚在第40军协同下，封歼云山之敌。[⑥]
根据彭德怀的命令，第39军决定：以第116师担任主攻，由西北方向沿三滩川两岸山麓经龙埔洞、262.8高地、间洞、朝阳洞向云山攻击前进，并以一部兵力向上九洞方向发展进攻；第117师主力由东北方向实施助攻，首先歼灭三巨里之敌，尔后在间洞与第116师左翼团会合，从东面进攻云山，配合第116师围歼云山之敌，另以1个团迅速插到上九洞断敌退路；第115师以1个团由云山以西的诸仁洞沿公路两侧向立石上洞、立石下洞、栖凤洞、下草洞攻击前进，另以1个团进至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。第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。
11月1日早晨，云山地区大雾弥漫。美骑兵第1师接到空中侦察报告：在云山四周地区发现有大批部队移动。骑兵第1师师长盖伊随即向美第1军要求将该师留置清川江南岸的第7团调至龙山洞，同时令位于龙山洞的第5团立即派出搜索队，向云山方向前进，确保云山通往龙山洞的公路畅通。
1日中午，美第5团派出的搜索队由龙山洞向北运动。担负阻援任务的志愿军第115师第343团发现美军搜索队出动，立即由明堂洞向预定阻击地域龙头洞开进。13时许，该团先头连抢占叶龙头洞以北的185.5陆地，先敌开火，将敌击退。随后，第343团迅速展开于龙头洞东北公路两侧高地，切断了云山至博川的公路，坚决阻击龙山洞美第5团增援云山。
龙头洞战斗，奏响了云山战斗的序曲。此时，南朝鲜第12团由于在进攻作战中伤亡惨重，不待美军完全接防，即撤离城外高地，向立石移动。美第8团只得仓促进入阵地。这样，到1日下午，在云地区，美第8团部署于云山城外的北、西、南三个方向，而南朝鲜第15团则部署于云山城外东北、东、东南三方向。
志愿军第39军主力密切注视着云山城内敌军的动向，并做好了一切进攻准备。下午15时30分左右，第116师观察所发现云山外围高地上的敌军在炮火掩护下后撤，同时云山城内有敌汽车不断向南移动。第116师首长判断：敌军可能已经发现志愿军的进攻意图，准备逃跑，遂向军指挥所建议：提前向云山发起进攻。
第39军首长立即决定，乘敌后撤混乱的有利时机，提前总攻云山。15时50分，第39军电告志愿军总部：“云山敌于-日十五时三十分开始撤退，我已下令出击。”[⑦]志愿军总部批准了第39军的决定。 担负断敌退路任务的第115师第345团首先发起进攻。云山城南约5公里处，九龙江蜿蜒曲折，形成了一个形似“骆驼鼻子”的弯曲部，龙兴江在此注入九龙江，由云山通往龙山洞的公路也由此通过，江上的诸仁桥是云山之敌南撤的必经之路。第345团突破当面之敌阵地后，以1个营攻占桥南的324.2高地，以2个营直插诸仁桥。战至2日l时30分，该团第2营第4连攻占诸仁桥，切断了敌人南逃的退路。
1日17时，第9军主力开始总攻云山。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军装备的六管火箭炮也首次投入实战，对敌纵深目标实施两次齐射。10分钟后，军主力2个师，兵分3路，向云山城发起全面进攻。
担任主攻云山任务的第116师，以第348团在左，第347团在右，并肩展开4个突击营，沿三滩川东西两岸向云山猛攻。右翼第347团先头第2营于23时30分突破敌龙埔洞一线的外围阵地，率先突入云山街区；第3营冲破美军的层层阻击，也于2日2时许从北、两个方向突入云山街内。左翼第348团攻占朝阳洞后，主力向云山城攻击，2日2时，第3营第7连第2排率先突入云山东街口，截住了正从云山城外撤的敌军。第117师发起攻击后，经3个多小时激战，攻占三巨里。随后，师主力协同第116师，歼灭朝阳洞地区之敌，尔后向云山发展进攻。另以1个团涉过温田川，于2日6时进至上九洞。总攻发起前，第39军虽得知美骑兵第1师已经向云山地区移动，但并不知晓其已经接替南朝鲜军的防务，因此主要进行围歼南朝鲜第1师的准备。进攻发起后，各路部队攻入敌阵，发现交战的均为美军部队，经审讯俘虏后，方得知美骑兵第1师已经在云山布防。
美国陆军骑兵第1师，创建于美国独立战争期间，号称“开国元勋师”，参加过两次世界大战，是美军的“王牌师”。该师为全部机械化装备，为了保持部队荣誉，仍保留了“骑兵师”的番号。进入云山的第8团，加强了美第9野战炮兵营、第6坦克营等分队，火力和机动力很强。另外尚有南朝鲜第15团协助防御。
志愿军第39军发现云山是美军“王牌师”后，斗志更加昂扬，攻击更加猛烈。第116师第347团第2营第7连沿云山街由北向南猛打猛冲，发现3辆坦克引导满载步兵的10余辆汽车向城外逃窜，立即发起冲击，将其冲散，迫其弃车逃命，随即攻占了云山南侧无名高地，切断城内美军向南的退路；第3营则在攻进云山街后，一举歼灭美军1个榴炮连。2日2时许，第116师预备队第346团第2营投入战斗，从两个一梯队团之间，直插云山城内。该营尖刀连4连与美军展开巷战，击溃街道上的敌人，与一梯队在街区会合。战至2日3时30分，第116师胜利攻占云山城。在志愿军的猛烈进攻下，南朝鲜第15团遭到歼灭性打击，美第8团也伤亡惨重，已经无力继续防御，只得利用夜暗分头向立石、宁边、龙山洞逃窜。
志愿军第39军部队对逃窜之敌展开坚决的阻击和追击。第348团第2营主力于2日l时30分在云山南2公里的公路交叉口处，与美军1个营遭遇，即抢占公路两侧有利地形，炸毁敌先头坦克，堵塞道路，并乘敌混乱，勇敢地冲入敌群，与敌展开白刃格斗，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，缴获炮兵校射机1架、轻型运输机2架。 第347团第3营主力沿三滩川东岸向云山东侧攻击前进，于2日3时进至云山东南5公里处，切断云山至上九洞的公路。营主力继续向上九洞攻击前进，歼灭美军1个榴炮营大部。战至2日清晨，云山郊区和城东、城北的战斗基本结束。美第8团和南朝鲜第15团大部被歼，余下的美第8团指挥机构和第3营被志愿军第345团压缩包围于云山城南诸仁桥以北、立石下洞公路以西的河滩开阔地。他们在坦克掩护下，多次向诸仁桥发起冲击，企图向龙山洞突围。志愿军1个连凭借桥头两侧有利也形，在团主力的支援下顽强阻击，未使美军前进一步。美军见突围无望，遂构筑工事固守待援。
云山战斗打响后，位于龙山洞的美骑兵第1师主力全力向北增援，与志愿军第115师第343团在龙头洞展开激战。第343团在稳固防守的基础上，于1日晚对敌展开反击。主攻连第1连以勇猛的动作楔入敌阵，仅用50分钟即攻占龙头洞，歼灭美骑兵第1师第5团1个连，计100余人，缴获迫击炮3门。
11月2日，志愿军司令部对第343团l连予以“通令嘉奖”，并指出：“从此次作战中，可看出我军指战员的战斗素养与作战精神比敌人强，我以一个连即能歼美军一个连。”[⑧]
