从黄昏时分打到夜幕降临，343团越战越勇，骑5团仍不能越雷池一步。美军飞机在夜色中不敢投弹，美国兵的气焰大减，王扶之果断命令第1营出击，约翰逊上校猝不及防，慌忙下令撤退。第1营不仅大获全胜，而且创造了以一个连歼灭美军一个连的模范战例。至此，王扶之打得救援云山城的骑5团溃不成军，成功地截断了骑8团的退路。
晕了头的帕尔默在得知后路被抄时，居然只命令第3营回头守住要地居仁桥保护后方，仍异想天开地要求其它部队继续进行冲向鸭绿江的准备。而被揍得惊魂未定的南朝鲜人率先向南溜了，把帕尔默气得够呛，他被迫命令骑8团提前接防，云山城里顿时人声鼎沸，车辆如梭，一片混乱。这幅景象让城外的志愿军发生了错觉：“敌人要跑了？”吴信泉立刻命令提前向云山发起总攻。
39军炮兵和配属的两个炮团将有限的炮弹准确地倾泻在云山美国人的阵地上，4时整，8个步兵团以迅雷不及掩耳之势向美军发起了总攻！
震耳欲聋的枪炮声和漫山遍野的军号声把美国人吓蒙了。营长米利金中校是参加过二战的老兵，此时也不知所措，半天才下令重机枪开火。浑身发抖的机枪手请示射击目标，米利金大叫：“往哪打？哪里有喇叭声，就往哪打！”
仅仅几个小时，39军如风卷残云，将云山外围阵地的美军、南朝鲜军打得七零八落，美军战史记载：“午夜刚过，南朝鲜12团就不再是一支战斗建制部队了，大部分战死或做了俘虏，侥幸逃脱者极少。”不久，美国人也丢了城外所有阵地，开始向云山城内狼狈逃窜。
直到这时，39军才发现打的是美国人，而且是美军王牌骑1师。吴信泉兴奋极了：“怪不得火力这么强，原来是美国人的王牌军，继续进攻，老子打的就是王牌！”
彭德怀的命令到了：“坚决消灭美军王牌师！”
22时，云山城外所有高地都装进了39军的口袋，现在就剩云山城了。足智多谋的116师师长汪洋派预备队246团团长吴宝光担任主攻，吴宝光又亲自挑了一个尖刀连第4连：“一句话，谁都不许恋战，直接冲进云山城来个中心开花，为主力打开通路！”
第4连不愧是久经沙场的尖刀连，指战员们有勇有谋，在夜幕中摆成整齐的战斗队形大摇大摆地向云山城走去。糊里糊涂的美军还以为这是一支退下来的南朝鲜部队。在进云山的必经之地二滩川大桥，机智无比的志愿军战士甚至还满面笑容地同设防的美军士兵握手！然后，一整支志愿军连队昂首阔步走进了云山城。
“一个连的士兵纵队沿着通往龙山洞的干道上严肃而整齐地接近南面。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。”美军战史如实记载了己方这段丢人的经历。
仿佛从天而降的4连在云山城横冲直撞，杀得美国兵尸横遍地，39军主力部队随即一齐从四面八方拥进了云山城。三四八团神兵天降，一举攻占了西迂洞路口，封锁了美军南撤通路。他们还攻占了云山机场，得到了一个意外收获——缴获了4架美国飞机！不过天亮后就被美军全炸没了。
到凌晨时分，美军第8团战斗队全面崩渍。丧失斗志的第8团的士兵们有的逃向深山，有的往南飞跑。焦急万分的美第1军军长米尔本和骑1师师长盖伊均亲临前线督战，令骑5团拼命进攻，以救出兄弟团队。约翰逊上校也亲自披挂上阵指挥冲锋，结果被一颗迫击炮弹炸得身负重伤……
米尔本军长见久攻不下，伤亡日益增多，便铁青着脸下令：“我命令部队放弃进攻，立即向南撤退。”
盖伊师长大惊失色，欲待争辩，米尔本摆摆手：“我明白你要说什么，我和你们一样痛恨这个决定，但我对此承担责任，这是我一生中做出的最让我心碎的决定。”
不禁急出了眼泪的盖伊只能执行命令，让第5团撤出战斗。
在朝鲜战场上，中美两军首次交手以39军大胜告终。这次小小的战斗不仅极具象征意义，实际战果也是惊人的。志愿军共毙伤俘美军1,800余人，击落飞机3架，缴获飞机4架，击毁缴获坦克28辆，汽车170辆，火炮119门。美骑1师在其辉煌的军史上遭到第一次惨败，骑8团第3营被全歼。随后美国陆军被迫撤销了这个营的番号。几十年后，一个参加过云山之战的美国军官在接受采访时仍心有余悸：“云山？我的上帝，那是一次中国式的葬礼。”