10月31日，西线敌军分路向新义州和朔州方向进攻，先头部队进到距中朝边境仅30公里的大馆洞和南市洞一线。彭德怀迅即抓住战机，以三十八军断后，三十九军、四十军分歼云山、宁边之敌，新入朝的六十六军钳制美、英军队，对敌分割包围。
11月1日15时，志愿军各军、师遵照命令，对当面之敌发起围攻。三十九军提前发动攻击，经一夜激战，攻占了云山，歼灭美军骑一师第8团大部和南朝鲜军一部，缴获大批物资。志愿军与美军的第一次交锋，取得胜利。
在志愿军各军的连续突击下，敌人深恐后方交通被切断，遂于11月3日在大量飞机、火炮和坦克的掩护下全线撤退。彭德怀即令各军“采取一切办法迅速抓住敌人，不让敌人逃脱”，又命三十八军迅速向军隅里、新安州方向切断敌人与后方的联系。由于三十八军没有按时到达指定歼敌位置，敌人大部漏网逃走。
彭总发怒
彭德怀对这次精心部署的歼敌方案没有完全实现大为恼怒，考虑到歼敌机会已失，部队所带粮弹消耗将尽，如渡过清川江追击，势必陷于不利态势；同时敌人主力未被歼灭，很可能再次发动进攻。为保持下一战役的主动，即于5日下令西线各军停止进攻，结束战役。
东线志愿军四十二军奉彭德怀之命，以两个师的兵力阻击“联合国军”的进攻。在咸兴以北之黄草岭凭险据守，敌军用几十架飞机和大量坦克配合，对四十二军阵地进行连续而猛烈的攻击，四十二军在朝鲜人民军的配合下，依托野战工事，与敌连续激战13个昼夜，歼敌2700余人，粉碎了敌人进犯江界的企图，有力地配合了西线的作战。彭德怀特电四十二军之一二四师全体指战员予以嘉奖。由于志愿军主力在西线反击作战已告结束，彭德怀命令该军于7日凌晨转移休整，准备再战。至此，中国人民志愿军和以美军为首的“联合国军”之间的第一次战役结束。
第一次战役是在朝鲜民主主义人民共和国极端危急、志愿军仓促入朝的情况下进行的。经过连续13个昼夜的战斗，志愿军获得初战胜利，计歼敌1.5万余人，把“联合国军”从鸭绿江边打回清川江以南，打破了麦克阿瑟在“感恩节”前占领全朝鲜的计划，稳定了朝鲜战局。
中国人民志愿军突然出现在朝鲜战场，给骄进之敌当头一棒。后来接替“联合国军”总司令的美军上将李奇微对此评论说：“中国军队很有效地隐蔽了自己的运动。他们采取夜间徒步运动的方式，在昼间则避开公路，利用隧道、矿井、丛林和村落进行隐蔽。每个士兵都能做到自给自足，携带由大米、豆类和玉米面做成的干粮，他们避免做饭的火光暴露自己的位置，没有留下一点运动的痕迹。中国军队迅猛而突然的打击接踵而至，以至于很多部队还未能弄清楚究竟发生了什么事情就被打垮了。”
