1950年11月1日，云山城的早晨笼罩在浓重的雾气之中。中国第三十九军―一六师师长汪洋在前哨观察所里焦灼万分，因为在校对好了攻击前进的地形和炮兵支援步兵的方案之后，浓重的晨雾令他观察不到云山城的情况。中国军队没有侦察飞机，前沿的肉眼观察对指挥员来讲至关重要。晨雾一直到将近10时的时候才淡了下去，眼前敌人的一切开始逐渐清晰。
下午时分，汪洋骤然紧张起来，通过观察发现，云山东北方向的敌坦克、汽车和步兵开始向后移动，云山城附近的敌人也开始往来频繁。同时，右翼前沿的观察所也报告，他们发现他们正面的敌人背起了背包，乘坐汽车开始向后开动。汪洋第一个反应就是：云山的敌人已经察觉三面被围，要逃跑。汪洋看看手表，16时整，距离原定的进攻时间还有三个多小时，如果不立即进攻，战机就要失去了，这位中国师长的心剧烈地跳动起来。
这是朝鲜战争战局将要发生重要转折的一天。
联合国军的右翼在没能最后判断出与他们交战的军队来自何方的情况下已被击溃，沃克虽然调整了部署，渡过清川江的兵力有所增加，但各部队仍然处于分散状态。在一种莫名其妙的侥幸心理的驱使下，麦克阿瑟计划在感恩节之前结束战争。彭德怀敏锐地感觉到，志愿军刚入朝时的那种部队调动有些混乱的局面已经结束，各军目前已经到达指定位置，志愿军可以集中10－12个师共15万兵力作战，兵力的优势迎来了制胜的战机。彭德怀要给联合国军以一次巨大打击的战役计划是：在敌人已经破碎的右翼突破而进，正面进攻配合纵深迂回，割断联合国军的南北联系，将敌人歼灭于清川江以北地区。
30夜，毛泽东为此发来电报：彭邓并告高：（一）庆祝你们歼灭伪八师四个营的胜利。（二）你们三十日九时的部署是很好的。我方对敌人的数量、位置、战斗力和士气等项均已明了，我军已全部到齐展开，士气高涨；而敌人对我方情况至今不明了（只模糊地知道我军有四万至六万人）。因此，你们以全部歼灭当面敌人伪一师、伪七师、英二十七旅、美二十四师及美骑一师一部及伪六师、伪八师残部为目标是完全正确的。只要我三十八军及四十二军一个师能确实切断敌人清川江后路，其他各军能勇敢穿插至各部分散人的侧后实行分割敌人而各个歼灭之，则胜利必能取得。（三）在大作战时请注意使用六十六军，以厚兵力。
毛泽东十月三十日二十时31日上午9时，志愿军总部下达作战命令：第三十八军迅速歼灭球场之敌，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；第一二五师即向德川突击，并占领该地阻敌增援；第四十军迅速突破当面之敌，于1日晚包围宁边他第一师并相机歼灭之，得手后向灯山洞突击，切断敌人退路，另留一部于上九里地区防云山之敌逃窜；第三十九军于1日晚攻开云山之敌，得手后向龙山里地区突击，协同第四十军围歼美骑兵第一师；第六十六军以一部于龟城以西钳制美第二十四师，军主力视情况从敌侧后突击，歼灭该敌。
从毛泽东的电报和志愿军总部的命令上看，此战役决定性的要点是：第三十八军必须穿插到位。彭德怀和毛泽东对第三十八军寄予了厚望。现在，第三十八军已经开始进攻了，并打下了苏民里，正向球场方向前进。彭德怀特别嘱咐云山正面的第三十九军，要等第三十八军接近指定位置之后再开始对云山的攻击，而不能在敌人的后路没有被切断前就让机械化很强的敌人跑掉。可是，在没有遭到攻击的时候，云山之敌就有了逃跑的迹象。第三十九军军长吴信泉不得不决定把攻击的时间提前至17时。彭德怀同意了。云山正面已经蓄势已久的中国大部队就要席卷小小的云山城了，而彭德怀全部歼灭敌人的企图，就取决于右翼横向向西穿插的第三十八军前进的速度和质量了。事后才知道，―一六师师长汪洋所发现的云山正面的联合国军不是在撤退，而是南朝鲜第一师的部队正在与美军骑兵第一师八团进行换防。换防之后，在中国军队发起攻击的瞬间，美骑兵第一师八团就位于最前沿了，这一点中国第三十九军的官兵并不知道，攻击开始以后，他们依然认为对方是南朝鲜第一师的部队。心急如火的中国第三十九军的炮火准备，于11月1日下午16时40分开始了。五颜六色的信号弹在黄昏的天色中腾空而起，各种火器发出的声音震荡着云山山谷。紧跟在炮火之后，志愿军步兵开始向云山发起了冲击。
在肃清云山外围的各小高地的战斗中，南朝鲜军队的防线很快就被突破。美第八骑兵团团长约翰逊上校看见退下来的南朝鲜士兵，后来这样描述：“他们是泥塑的部队，完全是一种精神恍馆的状态，对于我的吉普车、对于附近时而发生的枪声全不在意，全无表情，同我在巴丹见到的投降之前的美国兵一个样。”中国军队的进攻很快逼近到美军的面前。根据美军的战史记载，中国的炮火十分猛烈，一检查弹道，发现是二战中曾在斯大林格勒出现的、让德军胆战心惊的82毫米的苏制“喀秋莎”火炮。这种武器的出现，意味着进攻的军队不是一般的军队，美第八骑兵团这时开始认识现实了。中国军队几乎看不出队形的攻击人流在各个方向上时隐时现，瞬间便冲到美军眼前了。三四七团的一个叫张生的中国士兵在部队受到机枪射手的阻击停止前进时，绕到这个机枪阵地的后面，他没有用枪，而是抱住美军的机枪手一起滚下了山崖――类似的情景在云山四周山岗上如墨的黑暗中到处发生，云山外围的一个个高地随之被突破，美军士兵们在他们听不明白的呐喊声中不断地死伤或争相逃命，美军的防御阵地被迅速压缩。
在肃清云山外围的战斗中，第三十九军三四八团二营的官兵创造了一项朝鲜战争中的纪录。他们沿着三滩川东岸向云山方向攻击，在一座公路桥上与美军士兵进行了白刃战之后，一班副班长李连华在炮弹爆炸的火光中发现前面不远处有四个房屋大小的物体。
李连华在战前曾到这里侦察过，这里原是一片开阔地。他谨慎地向前摸过去才看清楚，这里居然有四架飞机！原来这个开阔地成了美军的临时机场！守卫机场的美国士兵立即与中国士兵短兵相接了，在战斗中一班伤亡严重，仅仅剩下李连华和另外一名战士。这两名中国志愿军士兵固执地向飞机接近，在接近的过程中两个人虽都已负伤但始终没有倒下，直到把最后一个抵抗的美国人从一架飞机的座舱里拖出来。中国士兵们占领这个临时机场后，立即用人力企图把沉重的飞机推到隐蔽的地方藏起来，但是推不动，于是就用大量的玉米秸把四架飞机掩盖了起来。
后来得知，这是一架炮兵校射机和三架轻型飞机，是在日本的美军远东总部派来的，它们于这天下午从日本东京机场起飞，飞机上乘坐的是前来采访美军骑兵第一师的记者。记者们没有来得及采访什么就遇到了战斗，紧急起飞没有成功，原因是飞机被中国士兵包围了。中国志愿军士兵依靠他们手里的步枪和刺刀缴获了四架美军飞机。这是中国志愿军在朝鲜战争中惟一的一次缴获了美军的飞机。天亮以后，被中国士兵藏在玉米秸下的四架飞机，被八架美军野马式战斗机发射的火箭击中烧毁。
半夜时分，中国志愿军的一支分队到达云山以南15公里的公路口，截住了一队从云山逃出的美军坦克车队。在惨烈的混战中，中国士兵赵顺山、于世雄和田有福各自和美军士兵扭打在一起。“那个美国兵很高，很胖，搞不清他是司机、军官还是机枪兵”，赵顺山回忆道。无法知道第一次和一个外国人进行肉搏的赵顺山在殊死的肉搏战中是什么感觉，就在脸对脸的瞬间，在火光激烈的抖动中，赵顺山看见“他的眼珠是黄绿色的”。扭打中，美国兵掏出了手枪，可赵顺山腾不出手来制止，于是他就喊：“于世雄！快帮我把这家伙的手枪抢过来！”于世雄听见了，腾出一只手打掉了那个美国兵的手枪。就在这时，与于世雄抱在一起的那个美国兵掏手枪趁机向于世雄的腹部开了枪。
愤怒之极的赵顺山发现了美国人身上插着的洋镐，于是他拔出来，向被自己压在身下的美国兵的头上砸下去。在美国兵惨厉的叫声中，于胜雄身上的那个美国人崩溃了，他愣愣地站起来，双手抱头就跑，但是他被受了伤的于世雄紧紧地抱住了腿。赵顺山说：“我的动作更快，八寸长的洋镐已经举起来，敌人用两手抱住脑袋也救不了他。我的洋镐穿过他的手背，整个刨进他的脑袋里。”“恶战结束了，”赵顺山回忆道，“于世雄和田有福都躺在工事旁边，他们已经昏迷了。我跪在于世雄身边，他的左手还紧紧地握着敌人的手枪，牙齿咬得紧紧的，我擦着他身上的血迹，在他的肚子上找到手枪弹的伤口。我心里非常难过，他是为了我而受伤的。田有福躺在于世雄旁边，他的右腿已经断了，整个裤腿被鲜血染红，他是在肉搏之前就负伤的，可是当敌人扑上来时，他仍然用仅有的一条腿跳起来抱住敌人，一直拖到我刨死敌人为止。”“这就是我的出国第一仗。这一仗我真正试了试美国人的斤两，所谓的‘王牌’不过如此，胜利永远是我们的。”
这时云山城内已经陷入混乱之中。冲入城内的第三十九军一一六师三四六团的先头部队四连到达了公路大桥，守桥的是美骑兵第一师八团三营M连。“一个连的士兵纵队沿着通往龙山洞的干道严肃而整齐地接近南桥面。警戒该桥的美军士兵可能认为他们是南朝鲜军队，没有查问就让其通过了，因为他们是堂堂正正、十分肃静地走过来的。“美军战史记述道，”纵队通过桥以后一直在干道上北进，不久接近了营部。突然间吹起了军号，开始一齐向营部袭击。“四连的军事行动如同是在舞台上演出，除了胆大包天之外，中国士兵的机智在此表现得淋漓尽致。据中国第三十九军史料记载，中国士兵通过桥梁的时候甚至“还和美军握了一下手”。美军八团三营营部立即混乱起来，中国士兵成扇面队形展开，营部周围一片白刃战的格斗声。
对此一战，美军战史详细描绘道：中国人胡乱开火，不断向车里扔手榴弹、炸药包，车被打着了。可指挥所周围的有些分队还在狐洞或隐蔽工事中呼呼大睡，显然他们在等待撤退的命令。其中一个士兵以后回忆说，醒来时仗早已打响了……有人叫醒我后问我听没听见一群马在奔腾嘶鸣……片刻间我们的驻地被打得千疮百孔……当我听到远方的军号声和马蹄声，我以为我还在梦乡，敌人仿佛腾云驾雾般从天而降，人影模糊不清，他们见人就开枪，甚至用刺刀捅。
志愿军的手榴弹把美军营长罗伯特。奥蒙德少校炸成重伤，他和一个叫做麦卡比的上尉逃出营部，麦卡比的钢盔立即被打飞，肩肿骨钻进了一颗子弹。由于失血过多，他躺在路边不能动了。这个时候，令这个美军上尉奇怪和幸运的事情发生了：几个中国士兵用刺刀指着他，但却没有刺他，甚至没有激他的枪，只是互相说着什么。麦卡比用手指了指南边，中国士兵掉头就走了。麦卡比活了下来。他至今仍惊奇自己到底是怎样活下来的，他认为那几个围着他的中国士兵互相说的话是在商量什么，而商量的结果是他不怎么像敌人。
天亮以后来的“蚊式”飞机和轰炸机，在云山公路大桥这个被中国军队占领的交通要道上进行了轰炸，美骑兵第一师八团三营这才有机会清点人数，但死亡的人数已经无法点清，光是在由三辆坦克构成的小小环形阵地里就躺着170名伤员。志愿军冲入云山街头的一个先头班只剩下四个人还没有负伤，他们两人一组，沿着街道搜索，但是被一辆美军坦克封锁住了前进的道路。坦克上的重机枪火力使后续的中国部队受到伤亡，先头班班长赵子林火了。他爬到一间小商店旁边，从与美军坦克对射的友邻部队那里弄到一根爆破筒，赵子林接着爆破筒向那辆坦克爬去。
美军坦克掩护着几辆载满美军士兵的卡车，疯狂地向接近的中国土兵射击，为了掩护赵子林，中国士兵拼死与美军纠缠，赵子林终于接近坦克了。坦克的声音很大，震得街道的地面剧烈地颤抖。赵子林突然在坦克的正面站了起来，一直到坦克升到他眼前的时候，他拉开了爆破筒的导火线。他没有来得及隐蔽，巨大的爆炸声惊天动地，赵子林最后用力地睁开了眼睛，中国土兵正穿过黑色的硝烟向美军士兵冲去。云山城的美军开始向南逃跑，但是他们的后路已经被截断了。中国第三十九军―一五师三四五团的士兵已经抢占了一个叫诸仁桥的公路路口。这场战斗结束时，几十个美军士兵在猛烈的攻击下举着白旗投降了，他们对翻译说，他们的军官说过，投降有四个条件：一是没有子弹了，二是没有干粮了，三是联络中断了，四是突围不了了。他们符合投降的所有条件。被压缩在云山南面狭窄开阔地的美骑兵第一师八团四面受敌的命运来临了。
