11月27日傍晚，志愿军10万大军已经隐藏在朝鲜北部广袤的山地和丛林当中了，20军位于长津湖西侧；27军位于长津湖北部和东北部。两军分别以陆战1师两个团和第7师的31团级战斗队为主攻目标，后对下碣隅里进行围攻，继而在从下碣隅里至兴南的一条被称为“长隘路”的通道上展开围追堵截。

11月27日夜，西北风卷着棉球般的雪花，吹得人睁不开眼。美陆战第1师和美步兵第7师，当时正沿着一个山间的小路行进，整个队形成柱状，延伸达50公里。一个美国的随军记者后来说“总觉着有人在盯着我们”。这句话没有说错，他们确实是被隐没在崇山峻岭中的志愿军战士牢牢地盯紧了。山林中忽然传出惊天动地的军号声和呐喊声，宋时轮、陶勇指挥20军、27军向美军发起猛攻，10万志愿军将士以迅雷不及掩耳之势扑向美军，美军在毫无准备的情况下，遭遇到意想不到的攻击。在第二天的早上，美7师和陆战1师被九兵团分割成了5个部分。

11月28日，整个28日白天，美军都在设法打通被截断各部阵地。全部机械化装备的美军在大部分时间里，仅能以每小时500米的速度前进。战斗间歇，一位美军记者问一个正在用刺刀从冻硬的罐头里挖蚕豆吃的陆战队士兵：如果上帝能够满足你的一个要求，你最需要什么？那个士兵头也没抬的回答：给我明天吧。

11月30日，27军集中两个师5个团的兵力由27军副军长兼80师师长詹大南统一指挥，并使用全军所有炮兵，围攻新兴里的美7师31团。历史悠久的美第7师第31团组建于第一次世界大战期间，因曾参加对苏俄的干涉作战而获得“北极熊团”的绰号，团旗上就有北极熊的图样，称得上是陆军中战斗力较强的部队。该团蓝色的团旗被志愿军班长张积庆缴获当包袱皮，后来成了北京军事博物馆的展品。这是朝鲜战争中，志愿军唯一一次成建制地全歼美军一个团的光辉战例，但与此同时27军80师和81师也付出了巨大代价，伤亡及非战斗减员高达1万人，全军冻伤高达22%。 

12月1日，当第26军在距离合洼里还有80公里的时候，美陆战1师终于突破了志愿军第20军的包围，开始向南撤退。9兵团总部随即命令第20军余部：追击美陆战1师，减缓他们撤退的速度，缠住他们，为第26军争取时间，为最终歼灭美陆战1师创造机会。

12月4日，柳潭里的陆战1师5团、7团终于撤回了下碣隅里，他们用3天时间才走完这22公里，一路惨遭志愿军层层截杀，平均1小时只能走300米，22公里道路上有1500多人伤亡。然而，志愿军也伤亡惨重，美军的一份史料中记述，“中国人在地面战斗，空袭，及严寒的天气里伤亡巨大。由于没有适当的御寒服装，志愿军的战斗力因为大批士兵被冻死冻伤而被严重削弱。大部分志愿军耗光了在过江时随身携带的弹药，而且食品也供应不上。”

12月5日，美第10集团军军长阿尔蒙德向守在下碣隅里的史密斯下令：“尽快撤退到咸兴地区。”当日晚，下碣隅里所有的美军火炮开始向两侧山地猛轰。6日清晨，大撤退开始。但美军也没忘记在逃跑前彻底毁灭下碣隅里这个供给基地。美军先用炸药炸，然后用推土机碾一遍，最后将堆积如山的食品、衣服、弹药泼上汽油烧掉。那些在几公里外山头上20余天没有吃过几顿饭的志愿军士兵，看着就快到手的大批给养被这样毁掉，心疼无比。

在古土里的水门桥是架在长津湖引水管道上的悬空单车道桥梁，桥下是万丈深渊，水门桥一旦被炸，撤往咸兴的美军可谓上天无路，入地无门。

20军曾经于12月1日、4日两次炸掉了这座桥，可每次都被美军工兵修好了。志愿军干脆把桥基也炸掉了。但出乎志愿军意料，美国空军居然从日本调来8套每套重达1.1吨的车辙桥组件空投到美军阵地，然后在悬崖上仅用两天不到的时间就架设了一座载重50吨、可以通过撤退部队所有车辆的桥梁。美国强大的国力优势和训练有素的部队反应能力在这次撤退中得以充分展现。

12日，美陆战1师终于在咸兴与美第3步兵师汇合。美军的两个师继续向南撤退，一直到达东海岸的咸兴市。一路上，虽然20军余部继续穷追不舍，但是第26军主力始终没有能够赶到投入战斗。在美军士兵的印象中，战役后期他们并没有受到什么有力的阻击。

1950年12月24日，亚洲时间的平安夜，美第10军从兴南港装船撤离，次日志愿军占领兴南，历时近一个月的长津湖战役，抗美援朝二次战役东线作战，同时也是整个二次战役落下帷幕。

1952年9月，第9兵团从朝鲜回国，车行鸭绿江边，司令员宋时轮要司机停车，下车后向长津湖方向默立良久，然后脱帽弯腰，深深鞠躬。当他抬起头来时，警卫员发现，这位将军泪流满面，不能自持。这一颇具悲情色彩的场景无疑是对这场战役惨烈程度的最好注解。