11月1rì上午，彭德懷電話(huà)指示第39軍軍長(zhǎng)吳信泉：第39軍于11月1rì晚在第40軍協(xié)同下，圍殲云山之?dāng)?。根?jù)彭德懷的命令，第39軍軍事會(huì)議決定：以第116師擔(dān)任主攻，由西北方向沿三灘川兩岸山麓向云山攻擊前進(jìn)；第117師主力由東北方實(shí)施助攻，首先殲滅三巨里之?dāng)?。之后，配合?16師圍殲云山之?dāng)?；?15師345團(tuán)由云山西面攻擊前進(jìn)。115師343團(tuán)堅(jiān)守云山至龍山洞公路之龍頭洞，切斷公路，阻擊由龍山洞增援云山之?dāng)常杞卦粕街當(dāng)衬咸印?15師第344團(tuán)仍留置泰川以北，阻擊美第24師，確保側(cè)后安全。同時(shí)規(guī)定，各部于17時(shí)前完成一切準(zhǔn)備，19時(shí)30分對(duì)云山發(fā)起總攻。
116師受領(lǐng)了主攻云山的任務(wù)，師長(zhǎng)汪洋召開(kāi)作戰(zhàn)會(huì)，作了進(jìn)攻云山的部署：以347團(tuán)、348團(tuán)為一梯隊(duì)，并肩實(shí)施進(jìn)攻。347團(tuán)一部從云山右翼正面進(jìn)攻，主力從云山西南側(cè)后包圍進(jìn)攻；348團(tuán)1營(yíng)從左翼正面進(jìn)攻，團(tuán)主力插至云山東南，切斷通向上九洞的公路，與347團(tuán)對(duì)云山之?dāng)承纬伤拿姘鼑膽B(tài)勢(shì)。346團(tuán)為師第二梯隊(duì)，支援其他兩個(gè)團(tuán)的戰(zhàn)斗。116師的作戰(zhàn)部署被上級(jí)批準(zhǔn)后，志愿軍總部命令，11月1rì19時(shí)30分對(duì)云山敵人發(fā)起總攻。
當(dāng)天15時(shí)，116師師長(zhǎng)汪洋來(lái)到觀(guān)察所，用高倍望遠(yuǎn)鏡向敵陣地觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)敵陣地上的韓軍汽車(chē)、步兵正在向后轉(zhuǎn)移。汪洋判斷：敵軍要逃跑。遂向軍指揮所建議：提前向云山發(fā)起進(jìn)攻。第39軍首長(zhǎng)接受了建議，經(jīng)志愿軍總部批準(zhǔn)，總攻云山的時(shí)間提前到16時(shí)40分。后來(lái)汪洋才知道，敵軍移動(dòng)，不是想逃跑，而是美軍騎兵第8團(tuán)與韓軍第1師進(jìn)行換防。
11月1rì16時(shí)40分，配屬第39軍的野戰(zhàn)炮兵部隊(duì)和各師團(tuán)隊(duì)屬炮兵分隊(duì)，對(duì)敵實(shí)施炮火急襲。第39軍裝備的蘇聯(lián)“喀秋莎”火箭炮，也首次投入實(shí)戰(zhàn)，發(fā)揮了巨大威力。炮火準(zhǔn)備之后，擔(dān)任助攻任務(wù)的第l17師，在師長(zhǎng)張竭誠(chéng)指揮下，首先從云山東北方向的泥踏洞地區(qū)發(fā)起進(jìn)攻。守衛(wèi)此地的是韓軍第15團(tuán)，并得到了美軍炮群的支援。美軍的炮火非常猛烈，在志愿軍進(jìn)攻的道路上，打出了一片火幕。第l17師3路出擊，越過(guò)炮火攔截，很快突破了韓軍的前沿陣地。韓軍收縮陣地，死守核心陣地三巨里。志愿軍沖入三巨里高地，與韓軍展開(kāi)了肉搏。另外分出一支部隊(duì)，撲向美軍炮兵陣地。美軍炮兵見(jiàn)勢(shì)不妙，丟下大炮倉(cāng)惶南撤。韓軍失去了美軍炮火支援，也丟下陣地，落荒而逃。志愿軍攻占了三巨里，隨后兵分兩路，一路直奔云山城區(qū)，另一路向上九洞攻擊前進(jìn)。戰(zhàn)至23時(shí)，韓軍第15團(tuán)絕大部分被殲滅，只有極少人僥幸逃脫。
擔(dān)任主攻的第l16師，在汪洋師長(zhǎng)指揮下，在云山西北方向發(fā)起了進(jìn)攻。在這里防守的部隊(duì)，是美騎兵第8團(tuán)的第1營(yíng)和第2營(yíng)。汪洋一聲令下，第347團(tuán)主力和第348團(tuán)如兩把尖刀，直搗美軍陣地。志愿軍的沖鋒號(hào)聲、喊殺聲、槍炮聲、手榴彈爆炸聲響成一片。志愿軍以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的兵力和英勇無(wú)畏的氣勢(shì)壓倒了敵人。經(jīng)過(guò)激烈的戰(zhàn)斗，到晚上22時(shí)，美騎兵第8團(tuán)第1營(yíng)和第2營(yíng)的陣地全部被志愿軍突破，美軍殘部向云山城內(nèi)狼狽逃竄。
11月2rì凌晨2時(shí)，汪洋師長(zhǎng)將第二梯隊(duì)346團(tuán)投入戰(zhàn)斗。隨著隆隆的炮聲，346團(tuán)3個(gè)營(yíng)從東、西、北三個(gè)方向先后攻入云山城內(nèi)。346團(tuán)4連從美軍間隙直插街內(nèi)，戰(zhàn)斗在街內(nèi)形成了短兵相接的肉搏戰(zhàn)，殺聲四起，刺刀見(jiàn)紅。美國(guó)兵從未見(jiàn)過(guò)如此神速的猛撲，更不適應(yīng)近距離的白刃戰(zhàn)，被打得暈頭轉(zhuǎn)向，死傷慘重。緊隨著第4連，志愿軍其它部隊(duì)從四面八方突人了云山城。美騎兵第8團(tuán)團(tuán)長(zhǎng)帕爾莫嘗到了中**隊(duì)的厲害，由驕橫傲慢、不可一世變成了斗敗的公雞，帶領(lǐng)殘部向南潰逃。11月2rì3時(shí)30分，志愿軍第116師攻占了云山城。
戰(zhàn)后，汪洋師長(zhǎng)巡視了勝利后的云山戰(zhàn)場(chǎng)，到處都是佩帶“馬頭”臂章的美軍尸體和坦克、大炮、汽車(chē)及其他裝備。美軍運(yùn)尸體的8輛“道奇”大汽車(chē)被截住，車(chē)上每層10具尸體，頭腳顛倒放置，一共裝了5層，共計(jì)50具，8車(chē)共400具，每具都穿一套全新的白線(xiàn)衣褲。以此來(lái)推算，美軍在116師正面上的傷亡，即在1200至1600人以上。實(shí)際情況還有許多死傷者被遺棄在戰(zhàn)場(chǎng)上。因此，實(shí)際傷亡人數(shù)將大大超過(guò)1400人。美軍傷亡主要是被輕武器所致，傷的比例較大。
云山有一條向南的公路，在其南面的西迂洞分叉成兩條路：一條路通向龍山洞，一條路經(jīng)上九洞、立石通向?qū)庍?。由于通往龍山洞的公路已被切斷，美騎兵第8團(tuán)團(tuán)長(zhǎng)帕爾莫，命令部隊(duì)向立石方向撤退。美軍先頭部隊(duì)剛剛通過(guò)西迂洞路口，即被志愿軍擋住了去路。擔(dān)負(fù)穿插任務(wù)的志愿軍第348團(tuán)第2營(yíng)主力，如神兵天降，一舉攻占西迂洞路口，封鎖了美軍南撤的通路。志愿軍348團(tuán)2營(yíng)9連爆破組長(zhǎng)范吉太，一躍而起，用爆破筒擊毀了領(lǐng)頭的坦克。跟隨而至的汽車(chē)，撞到了癱瘓的坦克屁股上，一輛接著一輛地在公路上塞起了長(zhǎng)龍。志愿軍將士乘敵混亂，勇敢地沖人敵群，與敵展開(kāi)白刃格斗。美軍幾次反擊，都無(wú)法打開(kāi)通路。帕爾莫只好下令部隊(duì)拋棄重裝備，分散突圍。這樣，美第8騎兵團(tuán)第l、2營(yíng)殘部的坦克、卡車(chē)、榴彈炮都被拋棄了，活著的官兵在夜幕掩護(hù)下，有的逃向了諸仁橋地區(qū)，有的逃人深山。116師第348團(tuán)第2營(yíng)殲敵100余人，繳獲坦克4輛，汽車(chē)30余輛，榴炮9門(mén)。該營(yíng)4連1排還乘勝攻占云山機(jī)場(chǎng)，繳獲炮兵校shè機(jī)l架、輕型運(yùn)輸機(jī)2架。第347團(tuán)3營(yíng)主力，沿三灘川東岸向云山東側(cè)攻擊前進(jìn)。于2rì3時(shí)進(jìn)至云山東南5公里處，切斷云山至上九洞的公路。至此，云山向南的公路，都被志愿軍切斷。