长津湖作战是抗美援朝战争第二次战役的东线作战，包括长津湖东岸的新兴里、西岸的柳潭里、长津湖由南向北入口的下碣隅里作战，以及向南通往咸兴的公路上的古土里、真兴里、上通里、下通里约70公里地段上的作战。
参加长津湖作战的志愿军部队是以宋时轮为司令员兼政委的第9兵团，下辖3个军12个师，共15万余人。敌方是由爱德华·阿尔蒙德指挥的美第10军和南朝鲜第1军团共5个师约10万人。
长津湖位于朝鲜东北部狼林山脉和赴战岭山脉之间，交通闭塞，人烟稀少。1950年冬季，长津湖地区迎来数十年罕见的极寒天气，作战环境极为恶劣。第9兵团因紧急入朝参战，只有少数部队换发了寒区服装，食物供应也严重不足。而美军均穿戴防寒服装和鞋帽，并配有鸭绒睡袋，能吃上热熟食。志愿军就是在这样的条件下，与敌军在长津湖地区展开了激烈鏖战。
11月27日上午，美第10军开始发动进攻。当日黄昏，志愿军第9兵团突然对敌发起猛烈反击，当夜即将美陆战第1师全部和美步兵第7师1个团分割包围于长津湖地区几个孤立的点上。28日，美军在飞机、坦克支援下，对志愿军发起反击，双方均有重大伤亡。美军不得不由进攻转入防御。
下碣隅里是美军进出长津湖的咽喉。29日上午，美军以配属的英国皇家陆战队第41突击队及南朝鲜陆战队一部共1000人、坦克及汽车100余辆，由真兴里经古土里北上，在50余架飞机掩护下，向志愿军富盛里、小民泰里一线阵地进行连续猛攻，企图打破被割裂状态，最终大部被歼，一部被迫投降。
同日，下碣隅里的美军也向南发起攻击。位于下碣隅里东南的1071.1高地及其东南的小高岭，是下碣隅里被困之敌向古土里逃跑的必经之地。志愿军第20军第172团第3连连长杨根思率一个排坚守在小高岭，连续打退数倍于己的美军8次进攻。当美军发起第9次进攻时，志愿军阵地的弹药已打光，全排仅剩两名伤员坚守阵地，增援部队尚在途中。在此紧要关头，已负伤的杨根思抱起仅剩的一个炸药包，拉燃导火索，冲入敌群，与敌人同归于尽。至29日晚，美军未能打破志愿军的包围，双方形成胶着状态。
11月30日晚，志愿军第27军第81师主力和第80师共5个团，向新兴里美军发起攻击。至12月2日4时，志愿军全歼新兴里美军第31团级战斗队（又称北极熊团）共3191人，击毁和缴获汽车345辆、坦克18辆、火炮137门、枪2345支（挺），创造了志愿军在朝鲜战场上以劣势装备全歼现代化装备美军1个加强团的模范战例。
12月1日，进至清津、惠山镇等地的美军和南朝鲜军开始向咸兴后撤。位于柳潭里的美陆战第1师，在大批飞机和火炮的支援下，猛攻志愿军阵地，企图打通至下碣隅里的道路。社仓里的美军和南朝鲜军也于2日南撤。在美第31团级战斗队被歼后，美第10军全线动摇，所有部队向咸兴、兴南地区撤退。
宋时轮奉上级指示，决定采取围追堵截的战术，以第27军和第20军第59师迅速歼灭柳潭里突围美军；第26军迅即南下接替第20军攻击下碣隅里的任务；第20军第60、第58师前出至黄草岭地区，第89师留一部于社仓里警戒，师主力前出至黄草岭以南上、下通里地区，阻敌南逃北援。
2日拂晓，志愿军第27军和第20军第59师奋力攻歼柳潭里的美陆战第1师。3日，美陆战第1师在50余架飞机掩护下，以坦克群为先导，倾全力猛攻志愿军第59师死鹰岭、獐项里、西兴里一线阵地。下碣隅里美军也以一部向西攻击接应。志愿军第59师腹背受敌，阵地被美军突破。美军突破后，又遭志愿军第27军1个团的阻截，直至4日，美陆战第1师才艰难逃往下碣隅里。美空军紧急派出飞机，为美第10军补充作战物资、空运伤员。同时，真兴里以南美军全力北援接应。美第1陆战航空兵联队倾巢出动，不分昼夜扫射公路沿线，配合美陆战第1师南逃。
鉴于此，宋时轮等命令第26军迅速南下围歼下碣隅里美军。6日晚，当第26军实施进攻时，美陆战第1师已于拂晓在飞机、坦克掩护下从下碣隅里向南突围。第26军攻歼美军一部后，尾敌追击。第27军立即从右翼经社仓里向咸兴以西攻进，以断敌退路。第20军依托已占阵地，层层截击南逃之敌，阻敌北援。从7日至12日，南逃的美陆战第1师在古土里、黄草岭、真兴里等地，均遭到志愿军第9兵团阻截打击。在古土里以南隘路处，志愿军第20军第172团两个连在冻饿和作战减员严重的情况下，仍坚守阵地，歼灭美军800余人。第20军第180团也将由真兴里北援的美军阻于堡后庄以南地区。美陆战第1师再次攻击古土里以南隘路阵地时，气温降至零下40摄氏度，坚守在阵地上的志愿军官兵已全部冻僵，美军侥幸得以逃出古土里。在堡后庄，美军遭到志愿军第20军第180团和第179团1个营的顽强阻截。激战两日后，阵地上的志愿军大部冻、战伤亡，美军又一次侥幸突破。在真兴里以南之水洞、龙水洞地区，志愿军第20军第89师毙伤敌500余人，击毁和缴获汽车90余辆。
美陆战第1师一路遭受伤亡损失，直至12日才在美第3师接应下窜至五老里。随后，会同美第3师逃往咸兴、兴南地区。志愿军第26、第27军继续追击逃敌，于17日占领咸兴，19日占领涟浦机场，并各歼敌一部。随后，直逼兴南港。至23日，美军调集300余艘舰船到兴南港，接应美第10军残部从海上南逃。
24日，志愿军第二次战役胜利结束。第9兵团在此役东线作战中给美陆战第1师和美第7师以歼灭性打击，共毙伤俘敌1.3万余人，迫使东线美军由进攻转入败退，为转变东线战局作出重大贡献，志愿军领导嘉奖了第九兵团。12月17日，毛泽东致电彭德怀并告宋时轮、陶勇：“九兵团此次在东线作战，在极困难条件之下，完成了巨大的战略任务”。