南朝鲜第2军团遭我打击后，敌人虽已发现我军入朝参战，但对我兵力估计不足，认为我是“象征性”出兵，只有4万至6万人，出兵目的也只是为了保护向我国东北地区提供电力的鸭绿江水电站，因此，仍然按照其既定的迅速占领全朝鲜的计划，一面调整部署，一面继续向朝中边境推进。
温玉成、袁升平指挥的第40军两战两捷，南朝鲜第6、第8师的两个营在温井、两水洞被我歼灭，南朝鲜第6师大部被歼于古场洞、柳良洞、尤谷洞地区。吴信泉、李雪三指挥的第39军已对云山之敌构成三面包围，梁兴初、刘西元指挥的第38军已进占熙川，守敌南朝鲜军第8师仓皇南逃。
彭德怀于11月1日9时下达作战命令：第38军迅速歼灭球场地区之敌，而后沿清川江左岸向院里、军隅里、新安州方向突击，切断敌人退路；第42军第125师向德川突击，占领德川后，坚决阻击由东、南两个方向来援之敌；第40军以主力包围宁边南朝鲜第1师主力并相机歼灭之，得手后继续向南突击，切断龙山洞之敌退路；第39军攻歼云山之敌，得手后准备协同第40军围歼龙山洞之美骑兵第1师；第66军以一部于龟城以西牵制美第24师，军主力视情况从敌侧后突击，歼灭该敌。
于是，中美两国军队开始了现代历史上第一次交锋。
云山位于朝鲜平安北道，周围群山连绵，是个仅有千户人家的小城镇。云山守敌是美军骑兵第1师第8团和南朝鲜军第1师第12团。
我志愿军第39军原定于11月1日19时30分对云山之敌发起攻击，但在当日15时30分发现云山之敌有撤退迹象，实际上是美骑兵第1师第8团与南朝鲜第1师第12团换防。这时，我前沿观察员也发现，云山外围敌坦克、汽车、步兵开始向后移动，云山街附近敌人运动频繁。吴信泉军长当机立断，命令部队提前于17时发起进攻。下午5时，担任攻城任务的该军第116师以2个团发起攻势，与敌争夺制高点。战至黄昏，配属该军的炮1师26团及军属火箭营进入阵地，在怒吼的炮声中，我军展开了猛烈的进攻。
夜是漆黑的夜，路是崎岖的路，志愿军战士越过山沟、堑壕，冒着密集的炮火冲击前进。战斗进入短兵相接的巷战阶段，后续部队冲入街内，用爆破筒炸毁敌人当作活动堡垒的重型坦克，用刺刀、手榴弹消灭依托房屋顽抗的敌人。
晚11时，第116师突入云山。他们发现打的不是南朝鲜军，而是美军，更加奋勇杀敌。这时，美军1辆重型坦克在街上横冲直撞，盲目射击企图掩护满载士兵的10余辆汽车撤逃。我预备队团尖刀第4连副班长赵子林在战友们的掩护下，机智地用爆破筒炸毁了这辆坦克，配合主力部队相继攻入街里。美国兵从未遇到过如此神速的猛扑、如此果敢的拼杀，一个个像患了“惊吓症”，争先恐后沿着公路逃跑。尽管这支机械化部队撤退得极其迅速，但是晚了。我第115师的第345团抢占了诸仁桥，切断了敌人的退路。2日至3日，该敌在飞机、坦克支援下，拼命突围，均未得逞。
这一仗打得干脆利落。战斗结束后，有个被俘的美国军官伸出拇指对志愿军翻译说：“志愿军包围迂回战术运用得好，前头拦住，后尾截住，这样作战，历史上从未见过。”志愿军战士说：“我们就是这个打法，叫做你打你的机械化，我打我的巧妙化。”
云山战斗中，歼灭美骑兵第1师第8团的大部及南朝鲜军第1师第12团一部，毙伤俘敌共2000多人，其中美军1800多人，缴获飞机4架，击落飞机3架，击毁和缴获坦克28辆、汽车170余辆、各种火炮119门。
彭德怀在战役总结会上说：“我们志愿军入朝第一次战役，胜利了!此役共计歼敌1.58万多人。毛主席很高兴。起初担心在没有制空权的情况下，和美伪军作战，我们要吃亏。现在看来，这个困难是可以克服的。我们有近战、夜战的法宝，没有飞机、缺少大炮坦克，一样可以打仗，打胜仗！美国军队没有什么了不起，我们不只打了伪军，也打了美国的王牌军，是华盛顿开国时组建的美军骑兵第1师嘛!这个美国有名、一直没有吃过败仗的军队，这回吃了败仗嘛，败在我们39军的手下嘛!”
彭德怀又接着说：“40军也打得不错，118师首战两水洞，吃了敌人1个加强营，打响了志愿军入朝作战的第一枪。毛主席在考虑，要把10月25日118师在两水洞打第一仗的日子，定为志愿军出国纪念日。这是118师和40军的光荣。”
