为了拯救几乎要被包围的云山，第8集团军沃克将军命令美军第1骑兵师“超越南朝鲜第1师，向朔州附近突进”。接受命令的美第1军军长在当天下午发布的命令是：向北总追击。对于中国人参战，领命的第1骑兵师第8骑兵团的帕尔马团长也认为，中国绝不会在这无可奈何的时候介入。美军第8团一位参谋事后回忆说：“8团有这样一种倾向，与其说是对这个情报有怀疑，不如说是不愿意相信。”
就这样，在右翼南朝鲜部队已经崩溃的情况下，美军王牌第1骑兵师第8团依旧进入已经被志愿军三面包围的云山城，与南朝鲜第1师换防。这恰好被城外的志愿军第39军发现，城内许多坦克、汽车正在驶离，39军军长吴信泉以为敌军要逃跑，就提前发动了对云山的总攻。中美军队在抗美援朝战争的第一次直接交手就在云山展开。
从11月1日下午16点40分志愿军发起总攻，到11月2日拂晓，志愿军已经歼灭美军王牌第1骑兵师第8团大部、南朝鲜战斗力最强的第1师12团一部共2046人，其中美军1840人。
对于这场被载入日本陆上自卫队作战教科书的经典战役结果，美军史料称：“(美军第1骑兵师)第8骑兵团有1000多人失踪，后来逐渐返回一些，最后，即不得不认定战死的约有600人。丢失的主要装备包括坦克17辆、105榴弹炮13门和几乎所有重武器。”
不过战役也并未实现毛泽东要求彭德怀“利用'联合国军'完全没有料到中国参战的情况下，全歼2到4个南朝鲜师”的设想。一方面是战役仓促打响，作战部队在收紧包围圈时未能及时到位，另一方面，美军在初战中已经显示出强大的火力优势。“联合国军”缴获的中国军队《战斗经验集》中写道：“尽管进行了艰苦的山地战，但由于经验不足未能取得足够的战果。缴获了大量武器装备，但却仅仅抓到200多个俘虏。”
第一次战役在7天内迅速结束，美军第8集团军全线急速撤退到清川江一线。
傲慢与偏见：麦克阿瑟对中国出兵的误判
