由云山通往龙山洞的公路是美第l骑兵师的主要补给线，沿九龙江河谷延伸，形成了两个大的弯曲部。靠近云山的弯曲部酷似一个骆驼头，龙兴江在骆驼鼻子处注入九龙江，两江汇合处有一座公路桥，称做诸仁桥。美军把诸仁桥周围地区叫做“骆驼鼻子”。由“骆驼鼻子”向南几千米，九龙江形成了第二个弯曲部，形状酷似一个乌龟头，其鼻子部位正好财准龙头洞，美军称此为“龟头鼻子”。“骆驼鼻子”和“龟头鼻子”是美军北进南撤的必经之路。
吴信泉派出的部队是志愿军第39军第343团。这是一个红军团，具有光荣的传统，作风顽强，尤其善于防御作战。吴信泉求第343团在“龟头鼻子”处设防，坚决阻止美军北援。时间紧急，接到任务之后，团长王扶之率全团白天以强行军向龟头鼻子”前进。
正午时分，正在行军的第343团被美军空中观察机发现。美军师长盖伊接到报告后，不由得倒吸一口冷气，这意味着对手正企图切断龙山洞通往云山的公路。他立即命令驻扎在龙山洞的第5骑兵团级战斗队指挥官詹森上校派部队向北巡逻；命令云山的第8切源部队驻守诸仁桥，保证公路畅通；命令空军和炮兵严密封锁通往“龟头鼻子”的山路。
志愿军第343团冲破美军飞机和炮火的封锁，抢先一步到达了“龟头鼻子”。部队还没构筑好工事，美军的北上巡逻分队到了。志愿军突然开火，领头的一辆美军吉普车轰然起火，瘫在公路中央。后尾的卡车接着被打燃，歪倒在路旁。美军士兵尚未弄清发生了什么事情，一场伏击战就干净利落地结束了。美军60人的排级巡逻队，只有几人逃回了龙山洞。
詹森得知巡逻队遭伏击，意识到问题的严重性，马上派出第l营向北攻击前进。自己随后率第2营到达“龟头鼻子”，亲自指挥部队向志愿军阵地发起了轮番进攻。
美军的攻势越来越猛，志愿军寸士不让。双方激战到了黄昏时分，美军已显疲惫，攻击势头明显减弱，志愿军则斗志正旺。王扶之抓住有利战机，命令第l营出击。第l营快如闪电，狠如饿虎，打得美军狼狈后撤。其中第l连全歼美军b连，创造了以一个连歼灭美军一个连的模范战例。
彭德怀接到战报，传令嘉奖第343团第l营第l连，称：“从此次作战中，可看出我军指战员的战斗素质与作战精神比敌人强。我以一个连即能歼灭美军一个连。”
第343团首战告捷，奏响了云山之战的序曲。不过，美军第8团团长帕尔莫却依旧在做着进军鸭绿江的美梦，他没有训令部队转人防御，只是命令第3营在“骆驼鼻子”设防，保护后方，要求其它部队继续进行向鸭绿江推进的准备。
上午，南韩部队向志愿军阵地发动了多次进攻，可除了多丢下几十具尸体之外，一无所获。到了下午，南韩部队再也不愿白白送死，不顾美军阻拦，撤下阵地，扬长而去。帕尔莫无奈，只得下令所属部队提前接防。一时间，云山城内，人声鼎沸，车辆如梭，一片混乱。
这一切都被密切注视云山城内情况的志愿军观察员看在眼中。15时，观察员向第l16师指挥所报告：南韩部队正在撤出阵地，公路上发现有车辆、人员向南移动。师长汪洋亲自到山头上观察，他并不知道美军已经接防云山，眼前的景象使他得出结论：敌人想跑！他指示部队做好提前出击的准备，并将情况向军部做了报告。
吴信泉接到报告后，从凳子上一跃而起，走到作战地图前，用手往云山的位置一砸，说：“想跑？没那么容易！总攻提前进行，命令炮兵开始炮火准备，部队16时出击！”15时30分，第39军的炮兵和配属的炮兵2个团又1个营，向云山猛烈射击，炮火持续了20分钟。16时，担任助攻任务的第l17师首先从云山东北方向向云山外围高地发起了进攻。
守卫此地的是南韩军队第15团，并得到了美军第10高炮群的支援。美军的炮火非常猛烈，很快在南韩阵地前打出了一片火制地带，但它并没有挡住志愿军的进攻。第l17师三路出击，很快突破了南韩军的前沿阵地。南韩部队收缩防御，死守三巨里核心阵地。
志愿军有进无退，冲上高地，与南韩军展开了肉搏战，另外分出一支部队，向美军炮兵阵地猛扑过去。美军见势不妙，抛下南韩军先行南撤。离开了美军的炮火支援，南韩军顿作鸟兽散。志愿军紧追不捨，于21时攻占三巨里。随后兵分两路，一路。直通云山城区，另一路向上九洞攻击前进，阻截逃敌。战至23时，云山东北方向的南韩军部队已被基本消灭。美军战史称：“午夜刚过，南韩第15团就已不再是一支战斗建制部队了，大部分人战死或做了俘虏，侥幸逃脱者极少。”
志愿军第l17师进攻开始不久，担任主攻的第l16师也在云山西北方向发起了进攻。要想攻进云山，先要扫清外围高地，但敌军阵地前不易展开兵力，师长汪洋仔细研究地形后，制定了巧妙的进攻计划。他命令第347团以1个营首先出击，截往后撤的南韩部队，吸引高地上的敌军注意力，掩护师主力利用林木掩护向敌阵地隐蔽接近。拿下高地后，二梯队马上发展进攻，直捣云山城。
战斗开始。志愿军第347团第2营如一股旋风掠过山谷，转眼间即在龙浦洞附近抓住了后撤中的南韩第12团1个营。双方在公路上杀作一团。路旁高地上刚刚占领阵地的美军见此情景，集中火力支援南韩军作战。