云山战斗是中国人民志愿军部队与美军部队在朝鲜战场的初次较量，被国际军事界评价为“世界战争史上少有的遭遇战”。战斗从1950年11月1日开始至3日结束，志愿军第39军发扬顽强战斗作风，利用灵活战术，以劣势装备战胜了号称“王牌师”的美军骑兵第1师，取得了与美军和“联合国军”作战的初步经验。
把握战机，出奇制胜。为了隐蔽作战意图、达成围歼云山之敌的有利态势，1950年10月25日晚，第39军兵分两路，翻山越岭向云山城疾速开进。次日晚，左路第117师进至云山西北5公里处的鹰峰洞。28日午夜，该师在夜色掩护下疾速东进，很快控制了云山至温井公路以东地区，鹰峰洞两侧阵地则由随后跟进的第116师接防。右路第115师于29日进至云山以西龙兴洞一线。如此一来，第39军从东北、西北、西南三面将云山之敌包围。
志愿军原定于11月1日19时30分发起进攻，但敌情突然发生变化，美军骑兵第1师第8团北上云山准备接替南朝鲜军第1师防务，而南朝鲜军不待美军完全接防便开始撤离。志愿军政治部主任杜平回忆：“下午3点多，我前沿观察员发现，云山外围的敌坦克、汽车、步兵开始向后移动，云山街附近的敌人往来频繁……”在察觉云山之敌有后撤迹象时，第39军军长吴信泉、政委徐斌洲当机立断，命令部队抓住敌军后撤混乱的时机，提前总攻云山。1日17时，总攻开始，志愿军开始对敌实施炮火急袭。10分钟后，第116师、第117师向云山城发起全面进攻，打了敌人一个措手不及。第346团第4连从敌间隙直插云山，沿着通往龙山洞的干道行进，被美军误认为是南朝鲜军。过桥后，4连继续在干道上北进，直到接近美军骑兵第8团第3营时，才突然向其发起攻击。
活用战术，分割围歼。10月底，“联合国军”在清川江以北地区兵力猛增至美军3个师、英军1个旅、南朝鲜军2个师，共计6万至7万人，但因对志愿军的参战意图和参战兵力判断有误，这些兵力仍处于分散状态。而西线志愿军可集中10个至12个师、12万至15万人作战，在兵力上占据绝对优势。据此，第39军决定以正面突击与侧后攻击相结合的战法，首先攻占云山，而后向龙山洞方向发展进攻。具体部署是：第116师从正面沿三滩川两侧山地实施主攻；左翼第117师首先攻占三巨里，而后协同第116师围攻云山，同时以1个团插至上九洞断敌退路；右翼第115师主力向诸仁上洞、栖凤洞方向进攻，从云山南面断敌退路，阻敌增援。第115师第344团于泰川以北龙成洞地区阻击美军第24师北援，保障39军主力侧后安全。
第115师师长汪洋回忆：“3个团从东、西、北3个方向先后攻入云山市内，与美军展开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，渐渐乱了阵脚，溃不成军。”
勇猛战斗，扩大战果。总攻发起前，第39军虽得知美军骑兵第1师已经向云山地区移动，但并不知晓其已接替南朝鲜军的防务，因此一直在作围歼南朝鲜军第1师的准备。直到进攻发起后，第39军各部攻入敌阵，才发现交战的竟是美军，而且还是“王牌”骑兵第1师。这更加激发了第39军指战员们的斗志。
11月2日1时30分，第348团第2营主力行进至云山南2公里的公路交叉口时，发现美军坦克、步兵掩护1个榴弹炮兵营南撤，于是迅速占领公路两侧有利地形予以拦击。第2营指战员将敌先头坦克炸毁，堵塞道路，然后乘敌混乱，杀入敌群，与敌展开激烈的白刃格斗。该营4连1排乘胜攻占云山机场，缴获敌机3架。
此时，只有美军骑兵第8团指挥机构和第3营被志愿军第345团压缩包围于诸仁桥以北、立石下洞公路以西的河滩开阔地。被围美军在坦克掩护下，多次向诸仁桥发起冲击，企图向龙山洞方向突围。志愿军1个连依托桥头两侧有利地形，在团主力的支援下坚决阻敌逃脱。美军见突围无望，只得构筑工事，企图固守待援。
美军骑兵第1师主力在美第1军军长米尔本和骑兵第1师师长盖伊的亲自指挥下，向在龙头洞地区阻援的志愿军第343团发起连续猛攻，企图打开一条通路，接应被包围于诸仁桥地区的第8团余部突围。第343团顽强作战，以“人在阵地在，誓与阵地共存亡”的革命精神，顽强地守住了阵地，将美军骑兵第1师主力阻于龙头洞以南地区。被围美军在飞机、坦克支援下多次试图突围，均被第345团英勇击退。3日晚，第345团发起进攻，将被围于诸仁桥以北地区的美军全部歼灭。至此，云山战斗胜利结束。
此次作战，志愿军第39军重创美军骑兵第1师，歼灭美军1800余人，击落和缴获飞机7架，击毁和缴获坦克28辆、汽车170余辆、各种火炮119门，首创以劣势装备歼灭现代化装备之敌的范例。
日本陆上自卫队干部学校把云山战斗作为模范战例收入军官基本教材《作战理论入门》一书，认为对中国军队来说，云山战斗是与美军的初次交战，尽管对美军的战术特点和作战能力还不十分了解，但“还是取得了圆满的成功”。其主要原因是“他们忠实地执行了毛泽东的十大军事原则。对孤立分散的美军集中了绝对优势的兵力进行包围，并积极勇敢地实施了夜间白刃战”。
彭德怀司令员高度评价云山战斗：“美国军队没有什么了不起，我们不只打了南朝鲜军，也打了美国的‘王牌师’，这个师在美国很有名，又一直没有吃过败仗，这回吃了败仗，败在我们39军的手下嘛！”这一胜利，极大打击了美军的嚣张气焰，也进一步坚定了志愿军的战斗信心。