志願軍在橫城戰役取得首仗勝利，使得駐守在邸平裡的美23團獨自孤零零地突出在中國軍隊的攻擊線上，「志司」按照計劃，將攻擊之矛指向邸平裡，打算用一個晚上的時間，解決美23團。按照志願軍司令部的估計，駐守邸平裡的美23團，說不定已經準備逃跑了，志願軍必須趁其在逃跑之時，在運動中給予消滅。2月13日晚，戰役總指揮、志願軍副總司令鄧華調集了39軍、40軍、42軍的5個師（115師、116師、117師、119師、126師），向駐守在邸平裡的美步兵2師第23團發起猛烈進攻，一場慘烈的戰鬥，就此拉開了帷幕。
正如志願軍司令部所判斷的那樣，戰役開始之前的13日中午，美第10軍軍長阿爾蒙德將軍也乘直升機到達邸平裡，就砥平裡23團的處境和團長弗裡曼上校進行了認真的研究。由於南韓軍隊的潰敗，導致在邸平裡的美步兵第2師23團處於十分危險的境地。阿爾蒙德軍長聽取了弗裡曼團長關於立即撤退的建議及其理由，也得出結論：23團應在人數眾多的中國軍隊尚未形成包圍態勢之前，儘快撤出邸平裡。阿爾蒙德飛走以後，弗裡曼團長下達了撤退命令。正當美23團計程車兵們收拾行裝準備撤離時，弗裡曼團長收到了一份緊急電報：堅守砥平裡，不准撤退！——命令來自美第8集團軍司令李奇微將軍，正是這份電報，改變了韓戰的歷史進程。
堅守砥平裡的決定出自李奇微將軍對整個戰局的獨到判斷，李奇微接替陣亡的沃克將軍擔任第8集團軍司令還不到2個月。他一到朝鮮戰場，就被捲入了聯合國軍的撤退洪流中。由於中國軍隊的強勢參戰，美軍上下充滿了悲觀的情緒，南韓軍隊更是一觸即潰，望風披靡。李奇微將軍乘坐一架輕型飛機，帶著幾名助手，在戰場上到處奔波，直接同戰地指揮官見面，瞭解戰況，分析局勢，在這段時間裡，他查閱了美第8集團軍和美第10軍與中國軍隊所有的戰鬥報告，從中發現了中國軍隊的4個致命的弱點：
(1)人數龐大的中國軍隊，由於受給養的限制，每次進攻持續時間不超過7天；(2)徒步前進的中國軍隊，每天推進距離不超過20公里；(3)以步槍、手榴彈為主要武器的中國軍隊，其攻堅能力極其低下，即使包圍美軍，也無能力殲滅。(4)為了躲避美機轟炸，中國軍隊白天不敢行動，所有進攻只能在晚上進行。因此，掌握了這些弱點以後，面對中國軍隊在橫城地區表面上的強大攻勢，李奇微將軍沒有絲毫驚慌，他十分清楚中國軍隊在目前極為困難的情況下，還居然膽敢冒險發動攻勢，只會令其陷入更大的困境，只要美23團將中國軍隊主力吸引在邸平裡，聯合國軍就可利用其強大的空中力量和地面炮火，將其完全摧毀。李奇微將軍認為，孤立無援的陸戰1師在北部長津湖地區被十幾萬中國軍隊重重包圍，也能做到全身而退，那麼在南部的三七線，在東西戰場已經連成一體的聯合國軍防線面前，中國軍隊將為他們的進攻付出更為慘重的代價。
據守砥平裡的聯合國軍除了美軍第23團外，還有一個坦克中隊、一個炮兵營和一個法國營，總兵力約四千人，防守面積僅直徑1.5公里。其中法國營是一支名副其實的「志願軍」，其成員全部是擁有法國國籍的戰場老兵，許多志願者為了加入該營而自願降低自己原來的軍銜，尤其是營長拉爾夫·莫爾克拉中校。拉爾夫是一個具有傳奇色彩的法國軍人，他原是法國軍隊中的一名中將，為了抵制共產赤禍，寧願將自己軍銜降為中校赴朝鮮參戰。該營由1017人組成，共有3個步兵連，一個重武器連和一個營部連，隸屬美步兵第2師23團。法國營於10月25到達朝鮮，由於戰況緊急，原定3周的美式武器適應訓練縮短為10天即被投入戰場。該營作戰經驗豐富、作風彪悍頑強，1月31日和2月1日兩天，法國營和美23團3營一起在雙聯隧道地區擊潰了志願軍第125師，使得美軍對其戰鬥力不得不刮目相看。
接到李奇微將軍堅守邸平裡的命令以後，弗裡曼團長下令部隊立即修築防禦工事，士兵們將數千米環狀鐵絲網鋪設在陣地前沿，密集地佈置了防步兵地雷和照明汽油彈。施工機械也在緊張地挖掘壕溝，20輛坦克作為機動火力被佈置在前沿陣地，各陣地之間的接合部，全部用M-16高射機槍和坦克嚴密封鎖，弗裡曼上校還在防禦圈內設下炮兵陣地，集中使用26門野戰榴彈炮和51門迫擊炮。弗裡曼上校還建立了步兵、坦克、炮兵之間的通信聯絡方式，使美軍強大的火力儘可能發揮出最大的功效。防禦工事完成不久，天色漸漸黯淡下來，廣袤的雪野顯得一片寂靜。23團接到美偵察機發來的報告：數目龐大的中國部隊正在從北面和東面向邸平裡開進。弗裡曼上校向部隊發出了「準備迎擊中國人進攻」的命令。
黑夜中，聯合國軍士兵們一個個緊握武器，匍匐在戰壕裡，神情緊張地等待中國士兵的出現。13日深夜21時，成千上萬志願軍士兵的身影浮現在雪地上，他們的膠鞋底磨擦在凍土上發出的聲音十分令人恐怖。隨著悽厲、刺耳的喇叭聲，中國士兵開始了進攻。一位當年參戰的美軍士兵的描述道：「夜幕降臨時，四周響起了悽厲的軍號聲，他們（指中國軍人）滿山滿谷地湧了出來，不畏生死地沖向我們，然後一排排地象麥捆似的被機槍火力擱倒，後面的人又一排排地往上沖，又被擱倒。我們的機槍狂吐著火焰，槍管打得通紅，臂膀打得酸痛，看著滿坑滿穀的屍體，我對自己說，這不是戰鬥，這簡直就是屠殺。」
就這樣中國士兵一波緊接一波的進攻，一往無前，無所畏懼，中國士兵踏著同伴們的屍體不顧一切地衝鋒，令他們毛骨悚然，就連參加過太平洋戰爭的美軍老兵也是第一次看到如此血腥的場面，這是一支比日軍更不顧惜士兵生命的軍隊。環形防線裡的美軍坦克和重炮猛烈地轟擊志願軍的衝鋒集群，平均每百平方米瞬間落下十幾顆炸彈，隨著火光閃耀、彈片橫飛，鮮血染紅了的整個砥平裡，一百多人的志願軍連隊往往幾分鐘後就只剩七八人。僅一個晚上，被打死的39軍117師計程車兵就達4000人以上，投入進攻的志願軍357團3營在一次進攻之後，只有數人生還。炮火連天的邸平裡戰場，中國士兵就這樣以自己的血肉之軀，去同美軍的飛機坦克、榴彈炮、高射機槍對決。整整一個晚上，在猛烈的炮火打擊下，117師計程車兵除了肢體橫飛、死傷慘重以外，沒能攻下一處陣地。在激烈的戰鬥中，美23團團長弗裡曼上校也被彈片擊中臂部而受傷。
2月14日，39軍指揮部設在砥平裡以北一片茂密的松樹林中，林間的空地上架著幾座電台，報務員頭戴耳機正在緊張工作。軍長吳信泉、副軍長譚友林只是一個勁地在抽菸，兩人愁眉苦臉，焦慮萬分。他們剛接到一個雷擊般的消息：擔任阻擊驪州、原州向砥平裡增援的39軍116師，在行軍至注岩裡途中，被美軍空中偵察機發現，美軍立即調集原州附近的炮兵群，在空軍的配合下，集中炮火轟擊這個縱隊達四小時之久。就這樣，這支一萬多人的志願軍縱隊在到達戰場之前，就被美軍猛烈的炮火打擊下，死傷7千餘人，最後不得不撤出戰場。
吳信泉，這位在雲山戰役時，號稱要將美騎兵1師「包餃子」當「下酒菜」的中國「王牌軍」軍長，此時才真正領教了美軍兇悍的戰鬥力，面對39軍一個晚上就遭受如此巨大的傷亡，他的手禁不住發抖了，他已經再也沒有了往日的驕狂。2月12日，吳信泉剛接到攻打邸平裡任務時，根本沒把邸平裡的美軍放在眼裡，「志司」副司令鄧華佈置以39軍的115、116、117師為主力，40軍的119師、42軍的126師協助進攻的方案時，吳信泉心裡還覺得暗自好笑，他認為鄧華過於謹慎，區區邸平裡的一個團的美軍，只不過是一塊送到「志願軍」嘴邊的「肥肉」，還不夠39軍「吃」的，根本沒有必要再安排其他兩個師。因此13日深夜，在116師、119師、126師還未趕到戰場的情況下，吳信泉軍長獨自下令發起進攻，致使117師在進攻中死傷慘重。
奉命南下包抄邸平裡的39軍115師，經過白天隱蔽，晚上行軍，一路坡高崖陡，以至連馬匹都被丟棄，好不容易行軍至砥平裡以東時已是13日深夜。115師於十四日淩晨發起攻擊，但打下以後從俘虜口中才知道，他們攻下的只是邸平裡外圍的一個叫馬山的山頭，砥平裡還在西南方向。此時砥平裡的槍炮聲已經停止了，39軍117師已被打得屍橫遍野，已經沒有能力再發起進攻了。參加對砥平裡攻擊的第42軍126師也犯了和115師同樣的錯誤。這個師接到攻擊邸平裡的任務被配屬給第39軍後，按照地圖上指示的路線向砥平裡進軍。當按照判斷的方位和計算的行進時間應該到達邸平裡的時候，部隊發現了山谷中一個小村子，於是126師毫不遲疑地開始了進攻，攻佔了這座村莊。直到天亮以後才搞清楚不是邸平裡，而是位於邸平裡東南方向10公里處的一個叫田穀的村鎮。
天亮了，輪到占據馬山的志願軍115師成為美軍攻擊的靶子。為了奪回制高點，美軍集中重炮向馬山展開兇猛的轟擊，美空軍也加入攻擊戰鬥，數十架美海盜式攻擊機超低空撲向志願軍陣地，輪番掃射，投擲大量凝固汽油彈，馬山陣地淪陷在一片火海中，中午時分，邸平裡美23團出動坦克和步兵向馬山志願軍陣地猛烈反擊，115師三個團在美軍反覆轟炸和掃射下，死傷狼籍，一位參加戰鬥的美軍士兵回憶道，美軍飛機在對志願軍陣地轟炸時，他們連隊就在山腳下麵，只聽見從山上傳來一陣陣令人毛骨悚然的嘯鳴聲，後來才知道，這是中國士兵被凝固汽油彈燒著時發出的慘叫，一直傳到山下……志願軍434團2營王少白營長給團長王扶之打電話時哭著說，他的營死了三分之二，快要打光了，要求撤離馬山。然而，115師要求撤出馬山的要求沒有得到軍部批准，吳信泉軍長知道如果馬山丟了，砥平裡戰役更沒辦法繼續下去了，他命令115師必須不惜一切代價，死守馬山。
14日下午，一架直升機轟鳴著，徐徐降落在美23團團部後面的空地上，美軍士兵們幾乎不敢相信自己的眼睛：第8集團軍司令李奇微將軍，頭戴一頂美軍特有的防凍絨帽，胸前掛著兩個手雷，從直升機機艙裡爬了下來。李奇微將軍是親自來到邸平裡視察戰況的，他對美23團士兵在如此險惡的環境下依然保持著高昂計程車氣感到欣慰，他見到了手臂負傷的弗裡曼團長。李奇微將軍告訴弗裡曼上校，邸平裡戰役是整個朝鮮的作戰計劃中非常關鍵的一環。他完全清楚23團的危險境地，他對弗裡曼團長說：「你一定要再堅持一個晚上。」李告訴弗裡曼，他已經命令美國騎兵1師增援砥平裡。美軍在原州一帶的重炮部隊也將為23團提供強大的火力支援。李奇微將軍親臨前線，極大地鼓舞了23團士兵計程車氣，但也僅此而已，因為接下來的一個晚上，美23團不得不為自己的生死，孤軍奮戰了。
美第10軍軍部得知弗裡曼上校負傷的消息後，專門派出1架直升機接他去後方治療，被弗裡曼一口回絕，他說：「我既然把士兵們帶到這裡，我就要把他們帶出去。」弗裡曼上校命令部隊利用白天加緊加固防禦陣地，準備應付志願軍的夜襲，以堅持到援軍的到來。（註：弗裡曼上校一直堅持到援軍——美騎兵5團的坦克15日下午低達邸平裡後，才乘直升機離開戰場。）14日晚，志願軍第40軍119師和第42軍126師到達了戰場，自此，參戰的志願軍攻擊部隊全部到齊。中國軍人從四面八方把邸平裡圍得水泄不通，天黑不久，邸平裡南面升起了幾顆信號彈，志願軍向這個直徑僅1.5公里的聯合國軍環形陣地又一次發起了攻擊，最後的決戰開始了：砥平裡周圍山坡上湧現出了成千上萬的中國士兵，黑夜中他們一個個手執火把，在喇叭聲、鑼鼓聲和山崩地裂般的喊殺聲中，猶如一支龐大的螞蟻軍團，密密麻麻、浩浩蕩蕩、漫山遍野地湧向美23團防禦陣地。
聯合國軍計程車兵們在震驚之餘迅速反應過來，開始集中坦克和火炮猛烈地攔阻射擊，各輕重武器和平射的高射機槍也在陣地前組成了密集的火力網，沖在前面地誌願軍士兵成排成排地倒在火力網下，可是後面計程車兵毫不在意，踏著同伴的屍體繼續衝鋒，完全不把生死當一回事。夜戰的景象驚心動魄，照明彈、曳光彈、飛散的信號彈以及四射的火花把邸平裡夜空點綴得絢麗繽紛。每隔五分鐘，美軍陣地上就騰空升起一排排照明彈，數十條曳光彈組成的光帶接連不斷地交叉在夜空。美C-47運輸機也飛抵戰場，用降落傘投下一批又一批照明彈，這些照明彈宛如一盞盞巨大的燈籠，長時間地漂浮在砥平裡上空，把整個戰場照耀得雪白如晝。在明亮刺眼的白光下，中國士兵的影子滿山滿坡地在蛹動著，他們穿著臃腫棉襖，步履笨拙地邁向美軍陣地。在美軍設置的鐵絲網前，不計其數的志願軍士兵被打死，美軍發現中國士兵面對鐵絲網顯得束手無策，他們甚至連簡單的破壞工具都沒有，只能試圖從網下鑽過去，而這正在美軍機槍的有效射程之下，不一會，鐵絲網前就堆滿了中國士兵的屍體，有好幾處地方中國士兵的屍體已經高過鐵絲網，形成了一座座屍體橋，把整段鐵絲網都壓扁了。
一波又一波、一群又一群，志願軍排山倒海式的衝鋒接連不斷，中共指揮官絲毫不惜嗇士兵的生命，一撥又一撥地將士兵投入殺戮戰場，成百上千的中國士兵就這樣被美軍猛烈而無情的炮火吞噬，撕成碎片。戰場上，到處散落著中國士兵的軀體及殘肢斷臂，白雪覆蓋的邸平裡雪原已被志願軍士兵的鮮血浸泡成黑紅色。
參加過韓戰的英國著名演員麥可·凱恩，是一名出身貧困，思想左傾的青年，曾對共產主義頗具同情，然而，朝鮮戰場的經歷使他從此厭惡這個制度，他告訴《毛澤東鮮為人知的故事》一書作者張戎女士說，他親眼目睹了中國士兵像大海的波浪一樣，一潮一潮地往前衝鋒，用自己的身體去抵擋西方的子彈。他當時就想，這些人連自己人的生命都不顧惜，我怎麼能指望他們關心我呢？
在中國士兵一輪又一輪的「萬歲衝鋒」下，聯合國軍的防禦陣地也險象環生，法國營有一個防禦點上計程車兵全部陣亡，蜂擁而來的志願軍士兵攻佔了這個防禦點，營長莫爾克拉中校迅速調動高射機槍排向衝上陣地的志願軍士兵密集掃射，弗裡曼上校也派出美軍一個排前來支援，終於將衝進陣地的幾百名中國士兵擊斃，重新奪回了陣地。然而美軍G連防守陣地上的形勢卻越來越危急，G連士兵已經連續擊退了中國軍隊的十幾次進攻，但眼前突然又出現了令人驚劾的一幕：五、六百名頭綁白布條，身強力壯的志願軍敢死隊員，每人將一個六磅重的炸藥包捆在一根長長的樹棍上（用來炸毀美軍的工事），一面發出令人毛骨悚然的吼叫，一面不顧一切地向前衝鋒，全然不顧迎面而來的子彈，沖在前面的敢死隊員一批一批地倒在美軍的機槍掃射下，但更多的中國士兵繼續沿著被鮮血染紅的山坡向上狂沖，不少人被自己同伴的屍體絆得踉踉蹌蹌，但依然瘋狂地沖向美軍所布下的鐵絲網和地雷區，一些中國士兵被地雷炸飛以後，殘缺的肢體落下掛在帶刺的鐵絲網上，形狀十分駭人，屍體的後面，有更多數不清的中國士兵湧了上來。美軍的重炮和高射機槍雖然不停地開火打死許多進攻的中國軍人，但還是有不少志願軍士兵越過了鐵絲網和地雷區闖入美軍陣地。
午夜時分，G連防守的陣地終於被中國軍隊攻破了，在炮彈和手榴彈連續不斷爆炸的閃光中，黑壓壓的中國士兵如螞蟻一般地爬上了G連的防禦陣地，許多美軍士兵陣亡，倖存下來的人不得不退到陣地背後的山坡下。由於G連陣地的失守，美軍環形防線被撕裂了一個很大的缺口。弗裡曼上校調集兩輛坦克進行反擊，但沒有奏效，近千名中國士兵已經湧入了陣地，並且繼續向美軍陣地縱深發起攻擊，美軍環形防線上的缺口越來越大，弗裡曼上校不得不將最後的預備隊——23團的突擊連和工程連投入戰場，來阻擋蜂擁而來的中國軍隊計程車兵。命運的天平開始偏向了中國軍隊。兩軍激烈的攻防此起彼伏，慘烈的白刃戰和肉搏戰在邸平裡的每一處陣地上演，金屬的撞擊聲、咆哮的喊殺聲、子彈的射擊聲和炸彈的爆炸聲匯成一片。然而，隨著時間一點一點的推移，「志願軍」最害怕的時刻又一次來到了——天，開始亮了。15日黎明，太陽從雲層裡鑽了出來，對邸平裡的美23團官兵來說，最危險的黑暗時刻終於過去了。從美海軍航母上起飛的轟炸機編隊，一批接一批地飛抵邸平裡上空，將成噸成噸的炸彈和凝固汽油彈傾瀉在志願軍陣地上，把志願軍陣地炸成一片火海，攻佔G連陣地的一千多名志願軍士兵也在猛烈的爆炸聲中化為灰燼。
志願軍的攻勢被遏制了，朝鮮的白天，是美國空軍的天下。天亮以後，美空軍給駐守邸平裡的美23團運來大批補給和彈藥，同時將200多名傷兵用直升機運至後方。美航母艦隊的艦載機介入戰場以後，攻擊任務主要由美航空兵和邸平裡附近的美軍炮兵部隊進行。在天黑以前，志願軍是不敢展開大規模攻擊的。鄧華指揮部對39軍軍長吳信泉連續兩個晚上沒有拿下邸平裡極為不滿，15日上午發來電令，要求部隊加緊準備，最遲一定要在16日晚上拿下砥平裡。軍長吳信泉心裡叫苦不迭，參與直接攻打邸平裡的志願軍三個師共只有三個炮兵營，加起來才36門炮，而且只剩三百多發炮彈，原本配合攻擊砥平裡的炮兵第四十二團，因為馬匹受驚暴露了目標，遭到美軍飛機轟炸全部被毀，這就意味著火力本來就弱的志願軍失去了炮兵支援，只能靠手中的輕武器作戰了。「沒有炮兵協同，這仗怎麼能打？」譚友林副軍長憤憤地對吳信泉說。吳信泉默默抽著煙沒有開口。這時從砥平裡南方不斷傳來的爆炸聲令他焦急萬分，他知道守衛馬山的115師也已經陷入滅頂之災，正在經受美軍重炮、坦克和飛機的反覆轟炸，這位中共「王牌軍」軍長心裡十分清楚，以志願軍步兵的輕武器與美軍強大火力對抗下去，其後果只能是全軍覆沒。
吳信泉下了決心，喊來作戰參謀：「給」鄧指「發報，講明砥平裡的情況，這仗不能再打下去了……」然而吳的建議並沒有得到「鄧指」同意，鑑於39軍死傷慘重，已實際上失去戰鬥能力，15日中午，鄧華指揮部發來電報，參加邸平裡戰役的志願軍部隊，歸40軍指揮，由40軍119師師長徐國夫負責組建「前指」，同時指派40軍軍長溫玉成立即趕赴邸平裡指揮戰鬥。美23團在邸平裡遭到十倍以上中國軍隊的攻擊，14日，李奇微將軍命令美騎兵1師第5團北上增援砥平裡。15日上午，美第5騎兵團出發，這支由3個步兵營、2個炮兵營、2個坦克連、一個工兵連以及28輛補給卡車和19輛救護車組成的增援部隊，上路不久即受到中國軍隊的阻擊。
中國軍隊占領了山邊公路兩側，居高臨下射擊，雖然火力猛烈，但效果甚微，美騎兵5團在美軍飛機的支援下向公路兩側的高地進攻，拿下了一個又一個高地，幾百名中國士兵被打死，然而美騎兵5團團長柯羅姆貝茨上校發現：「傷亡巨大的中國軍隊好像越打越多，中國士兵的忍耐力和對死亡的承受力令人吃驚。」由於志願軍的頑強阻擊，美軍進展十分緩慢，整整一個上午，美第5騎兵團如蝸牛一般地前進。如果美第5騎兵團不在太陽落山之前到達邸平裡，邸平裡的美23團和美第5騎兵團都將陷入危險境地。柯羅姆奇澤上校下了決心：放下那些載滿物資的卡車以及仍然在山嶺兩側與中國軍隊作戰的步兵，只率領坦克連，憑藉著厚厚的裝甲直衝砥平裡。
下午3時，坦克突擊縱隊組建完畢：一共23輛坦克，160名步兵，由柯羅姆貝茨上校親自率領，45分鐘以後，這支孤注一擲的坦克突擊縱隊開始前進了，美軍的轟炸機沿著坦克縱隊前進道路上的所有高地實施了猛烈的轟炸，公路兩側兩個營的美軍則全力向中國阻擊陣地發動鉗制火力的進攻，聯絡飛機在頭頂來回盤旋，擔任引導炮兵射擊和報告前方敵情的任務。為了防禦志願軍的伏擊，坦克突擊縱隊以每輛坦克的間隔50米，總長度為1.5公里的戰鬥隊形迅速朝前推進。
坦克縱隊在通過一個叫曲水裡的小村莊（位於邸平裡以南6公里）時，遭到中國士兵的猛烈阻擊，阻擊美騎兵一師五團的是在注岩裡被美軍炮火擊潰的志願軍第39軍116師的殘部。中國士兵從村莊兩側的高地上向坦克分隊進行射擊，成束的手榴彈在坦克上爆炸，但對厚裝甲的坦克毫無作用，最後，中國士兵在軍官的命令下抱著炸藥包，躺在坦克行進的道路上引爆炸藥。坦克縱隊的數輛坦克被炸毀，搭乘坦克的L連160名士兵也只剩下了60人。幾輛被炸斷履帶停泊在路旁的坦克請求支援時，被柯羅姆貝茨上校拒絕了，他吼道：「不能停下！停下來就全完了！」他命令餘下的坦克不要理會，繼續前進，迅速衝過志願軍把守的曲水裡村莊。
在距離砥平裡西南約兩公里的地方，坦克縱隊穿過了由115師343團占據的一段險要的路段：這是一段位於望美山的右側，於山腰鑿開的極其狹窄的豁口，全長140米，兩側的懸崖斷壁高達15米，路寬僅能勉強通過一輛坦克。當時志願軍343團團長王扶之發現遠處大路上煙塵滾滾，還以為是自己的增援部隊，因為曲水裡有116師打援，美軍過不來。等到發現是美軍坦克時，已經來不及了，傾刻間，美騎兵5團的十餘輛坦克隆隆而至，343團團長王扶之慌忙派出團部警衛連進行阻擊，在懸崖上面的中國士兵把成束的手榴彈和數個捆在一起的炸藥包扔了下來，又有30多名在坦克炮塔上的美軍士兵在交戰中陣亡，但志願軍343團並沒能阻擋坦克的前進，柯羅姆奇澤上校率領的坦克突擊縱隊，迅速穿過了隘口。
經過1小時15分鐘，美騎兵5團的坦克突擊縱隊成功地突破了志願軍的6公里防線，於下午17時到達邸平裡。雖然這支增援部隊只剩下十幾輛坦克和23名步兵（其中還包括13名傷員），但卻給了邸平裡的聯合國軍帶來了極大的鼓舞，戰壕中的美軍士兵看到騎兵5團的坦克出現在戰場時，禁不住歡呼起來。一位參加邸平裡戰鬥的美軍老兵回憶：「當騎兵5團的坦克出現在中國軍隊背後時，不可思議的一幕發生了，還在作戰的中國士兵突然驚慌失措起來，他們一個個從散兵坑裡爬了出來，扔下武器向四處逃散，我從來沒有看到過這種景象，防禦陣地四周的山丘上都是逃跑的中國士兵，密密麻麻，漫山遍野！此時飛機追著俯衝轟炸、坦克猛轟、防空高射機槍在怒吼，步兵用各種自動武器向逃跑的中國士兵開火射擊！真是難以相信的一天！我們就這麼解圍了。」
15日傍晚，40軍軍長溫玉成奉鄧華副司令的命令抵達砥平裡戰場時，志願軍的戰線已經崩潰，溫玉成軍長登上邸平裡的北面207高地，拿望遠鏡俯瞰整個戰場，也被眼前的景象所震憾：在美軍陣地前面，志願軍士兵的屍體堆積如山，尤其是邸平裡南側望美山的整個山坡，像一個巨大的露天墳場，全部被屍體覆蓋，場面血腥，慘不忍睹。面對如此場景，溫玉成軍長不得不打電報給鄧華副司令，明確地表示，這是一場打不贏的戰役，必須立即撤出戰場。戰場的敗局已無可挽回，當日黃昏，鄧集團指揮部終於做出撤離砥平裡的決定。15日夜，天空開始下起了大雪，守候在砥平裡環形陣地中的美軍士兵和法軍士兵還在緊張地等待著中國軍隊的再次攻擊。漆黑的陣地前沿此時出現了數百支中國士兵的火把，閃爍的火苗猶如死亡士兵的幽靈，時隱時現、吵吵嚷嚷地在美軍陣地四周晃動了整整一夜。
這天夜裡，中國士兵沒有發動進攻，而是在屍體堆裡翻找尚未死去的同伴和抬走部分陣亡者的遺體，由於大部分中國士兵屍體來不及搬走，很快就被大雪掩埋了。
天亮以後，美軍士兵驚愕地發現，戰場上的中國士兵一個個都不見了，陣地周圍的屍體也全都消失了，呈現在眼前的是一片寂靜的山崗和白茫茫的雪原，仿佛什麼也沒有發生過一樣……砥平裡戰役，以志願軍的血腥慘敗而告終。據美軍資料記載，參與邸平裡戰役的志願軍共有5個主力師，5萬餘人，其中115師、負責打援，直接攻擊邸平裡的是116、117、119、126四個師。戰鬥結果：116師還未趕到邸平裡戰場就被美空軍的炮火消滅，其他3個師在連續強攻2晝夜之後反被打得支離破碎，死亡人數超過了2萬，最後不得不自行退出戰場。而駐守邸平裡的美23團僅傷亡200餘百人。中國軍隊僅遺棄在美23團陣地上的屍體就有一萬多具，另外還有一百多名中國士兵因為難忍飢餓而向美軍投降。
志願軍359團3營的官兵在邸平裡戰役中幾乎全部戰死，該營營長牛振厚在撤退時哭著喊著，死也不肯離開遍佈他手下士兵屍體的陣地，最後被硬抬下來。志願軍357團團長孟灼華在向上級匯報士兵傷亡的情況時，因痛苦萬分而泣不成聲。這些在國共內戰時期久經戰火錘鍊的戰場老兵，也是第一次經歷如此慘烈的戰鬥，在美軍雷霆萬鈞的炮火下，他們的意志和精神全都崩潰了。中國人民志願軍第40軍119師是林彪「四野」屬下韓先楚的「三縱」，號稱「旋風部隊」，在國內戰場所向披靡，從東北的黑龍江一直打到海南島，沒想到在砥平裡僅一個晚上，這股「旋風」就被美軍的一個團打得喪失了戰鬥力。中國人民志願軍第42軍126師原是林彪「四野」屬下的5縱，該師在遼瀋、平津戰役中，戰功卓著。韓戰爆發時，126師作為志願軍首批入朝參戰部隊之一於10月19日夜跨過鴨綠江。第一次戰役中，該師在東線黃草嶺、赴戰嶺地區奉命阻擊聯合國軍的進攻，榮獲了「黃草嶺守備英雄連」及「煙臺峰守備英雄連」稱號。邸平裡戰役以後，該師已不成編制，不得不「回國休整」。
在邸平裡戰役中死傷最為慘烈的是中國人民志願軍第39軍——這支「四野」的「攻堅尖刀」，在國共內戰中更是屢建奇功。在林彪將軍的指揮下，39軍從東北雪原的長白山一直打到西南邊陲的鎮南關。韓戰爆發後，39軍成為第一批出征朝鮮的部隊。1950年10月25日，志願軍發動的雲山突襲戰中，39軍一舉擊潰美騎兵1師5團，並全殲美騎兵5團第3營，還繳獲了4架飛機，震動了美國朝野。39軍因此成為韓戰中唯一一支整建制消滅美軍部隊的中國軍隊，美第5騎兵團3營也因此被美陸軍部取消了番號。在志願軍發動的「第三次戰役」中，39軍更是一馬當先，率先進入漢城，也成為中共歷史上唯一一支開進敵國首都的軍隊。然而令人沒有料到，這支所向無敵的軍隊，在邸平裡不足1.5平方公里的戰場上，被美步兵23團打得屍橫遍野，開戰前擁有3萬多名士兵的39軍，兩天以後，人數已不足1萬人。
16日淩晨，圍攻邸平裡的志願軍39軍殘兵敗將，用馬匹馱載著屍體，攙扶著傷兵、在漫天大雪中，悽慘不堪地朝三八線退去，同一個月前這支雄壯威武的部隊開進漢城時不可一世的情形相比，簡直是天壤之別。由於倉皇撤離，大部分犧牲的中國士兵屍體被遺棄在戰場上，被大雪掩埋。
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