从1951年10月25日志愿军40军118师在温井打响第一枪到开始酝酿云山战役之前，彭德怀总司令的心一直在悬着。联合国军过快的北进速度让原本的歼灭战打成了遭遇战，38军和39军还没有全部抵达战场，好在40军的118师和120师出色地完成了任务。
118师在温井歼灭南朝鲜第六师二团的一个炮兵营、重创两个步兵营后，其353团又调头追击已经推进到楚山（中朝边境）的南朝鲜第六师七团。最终，3552人的第六师七团只有875人逃生。120师在云山阻击了南朝鲜第一师三天，等来了39军的接防。接着，他们在战斗中又重创了南朝鲜第八师和第六师的三个营。可以说，在云山战役前40军居功至伟。
到了10月28日，志愿军各支部队已经全部到达指定战场。尽管在前三天的战斗中南朝鲜军遭到了巨大的打击，可志愿军一直没有和美军正面交锋。由于40军120师在云山拖住了南朝鲜第一师，美第八集团军的司令沃顿派出骑兵一师前去增援。可是，他们不知道阻击的部队已经换成了39军，更重要的是骑兵一师和南朝鲜第一师已经被三面包围了。
联合国军在西线行军过程中，南朝鲜军负责美军的右翼安全。然而，随着南朝鲜军一次次被志愿军打垮，右翼已趋向崩溃，而沃顿却仍然要求云山的骑兵一师和南朝鲜第一师向前进攻，这就给志愿军歼灭骑兵一师提供了战机。1950年10月31日上午9点，彭德怀下达了云山战役的作战方案：
1、38军迅速歼灭球场之敌，沿清川江左岸向院里、军隅里、新安州方向突击，断敌退路。
2、42军125师向德川突击，阻敌增援（42军125师配属38军在西线作战，124师和126师在东线作战）。
3、40军于11月1日晚包围宁边的南朝鲜第一师并相机歼灭，之后向灯山洞方向突击，切断敌人退路。
4、39军于11月1日晚开始进攻云山之敌，协同40军围歼美骑兵一师。
从这份作战方案不难看出，39军主攻不假，可38军切断美骑兵一师逃向清川江南岸的退路同样至关重要。毛主席在这个作战命令下达之前的10月30日特意嘱咐彭德怀：“此次战役能否大获全胜取决于38军的穿插是否及时、是否坚决、是否到位，能不能将美军的退路封死。”
由于38军穿插的重要性，彭德怀命令39军军长吴信全：“必须等到38军接近指定位置后再开始发起总攻。”然而，战场上战局的发展不会总按照人们的计划进行。
1、39军提前一个半小时发起总攻。39军的总攻时间原定在1950年11月1日19：30，可116师师长在视察军情时发现敌人可能要撤退。经过和军长吴信全商议，将总攻时间提前到17：00。战役结束后，39军的将士才知道当时是南朝鲜第一师和美骑兵一师在换防。
2、38军继“黑人团”事件后又一次没有穿插到位。38军在入朝第一战就因“黑人团”事件被彭德怀狠批。此次战役，他们10月31日攻占新兴里、苏民里地区后，11月1日向球场方向进军，11月2日才到院里地区。这离目的地价川、军隅里、新安州一线还有很远。美第八集团军在11月2日时已经开始撤退，38军没有完成包围敌人的任务。
3、40军没有包围宁边地区。40军没有突破宁边地区的防线主要是因为他们不仅仅要面对南朝鲜第一师，还有从泰川撤退下来的美二十四师。在强大的火力面前，40军伤亡很大，最终没有切断美军从这里到清川江的退路。
尽管38军和40军都没有完成战前的任务，可也有一定的客观因素。38军由于道路不熟且途中有些迷恋小型战斗；40军从10月25日一直打到11月3日，近十天的连续作战已经让部队非常疲劳，更重要的是补给不畅，战士们都是饿着肚子在战斗了。
纵然是这样，云山战役还是收获颇丰，具体战果如下：歼灭美骑兵一师八团大部分、南朝鲜第一师十二团一部，共歼敌2046人，其中美军1840人，缴获飞机4架，击毁、缴获坦克28辆，缴获汽车116辆、各种火炮190门以及大量枪支的弹药。
也许，比歼敌数量和诸多战利品更重要的是中美两军终于正面交锋了。云山战役后，志愿军战士明白了：只要战术得当，坚决、果敢，即使是强大的美军也一样可以战胜。另外，对于38军和40军而言，又分别有一个“意外之喜”。
38军在经历了第一次战役的各种“失意”后，终于在第二次战役爆发。松骨峰阻击战、奇袭武陵桥、奔袭三所里，他们终于打出来一个“万岁军”。就像后来梁兴初将军所说的那样：“我梁兴初一个人的荣誉不算什么，可不能辱没了38军。”
尽管40军在宁边没有突破美二十四师的防线，可他们却在战斗中缴获了两种武器：无后坐力炮和火箭筒。志愿军总部把它们送回了国内，很快这两样东西就被仿造出来，并迅速地装备了中国军队。