在这种背景下，志愿军第九兵团的20军、26军和27军奉命阻击，决定采取“迂回切断和包围歼灭”的策略 。为了躲避美军的空中侦察和轰炸，达到突然伏击的目的，我军采取了昼伏夜出的方式秘密行军 。
因为缺乏御寒衣物，志愿军战士只得将所有棉被都剪开，做成简易的袜子和手套，以防止手脚被冻伤 。就这样，他们忍受着极度的严寒和饥饿而翻山越岭，为了隐藏行踪还不能生火取暖和埋锅造饭，终于悄然进入到了预伏的位置 。
11月27日，在漫天的飞雪中，第九兵团向美军发起了猛烈的攻击，成功将号称“美利坚之剑”的美国海军陆战队第1师和陆军第7师一部分截为五段 。之后，志愿军开始在新兴里、柳潭里、下碣隅里和古土里发起了围歼战 。
凭借优良的地面装备和空中优势，美军利用坦克车、装甲车和步兵车组成了环形防线坚守待援 。志愿军虽然伤亡很大，但围歼敌人的决心和意志都非常坚决 。
11月29日，麦克阿瑟终于意识到此次北进的意图绝对难以达成，自己“回国欢度圣诞节”的豪言壮语也被啪啪打脸了 。不得以，他只好下令东西两线部队全面南撤，以免遭受更大的损失 。
当美陆战第1师终于突出重围南逃时，却发现唯一可以通行车辆的水门桥被志愿军炸毁了 。凭借强大的空中力量，美军派遣运输机空投了大量的架桥组件，成功修复了水门桥并用一个营的兵力严防死守 。
当日夜间，志愿军就派遣两个连作为“敢死队”，每人都身背着50公斤的炸药突入桥底，成功将整个大桥连同基座都全部炸毁 。不过，美军在24小时之内就再一次完成了架桥，成功撤到了河对岸 。
抵达兴南港后，美军开始仓惶登船从海上撤退，而长津湖战役也至此结束，志愿军取得了战役的胜利 。据美国老兵埃德·里夫斯在他的战争回忆录中记载:
那天晚上，我们连在一个小山村过夜，屋里烤着火，吃着罐头，喝着咖啡，屋外突然就响起了激烈的枪声和爆炸声 。中国士兵一群一群地冲了出来，我们的火力根本无法阻止，枪管都打红了，但他们仍在向前移动…… 。我被那些不畏死亡的灵魂震撼了，当时就知道，这是一场没有胜利希望的战争 。
美军在南逃时，曾被这样的景象所震惊 。一片志愿军俯卧在零下40度的阵地上，手握着钢枪和手榴弹，全部保持着战斗姿态，已经被冻成了冰雕 。这些全都被冻死的是20军第59师第177团第6连，在志愿军战报中这样记载:
该连无一人站起，到打扫战场时才发现 。全连干部、战士都呈战斗队形，全部都冻死在了阵地上，细查尸体无任何伤痕与血迹 。
从此以后，“冰雕连”便成为了我军历史上的一座丰碑和一种象征 。
根据战后的统计，美军在长津湖战役中战斗伤亡约7000人，而志愿军战斗伤亡1.9万人，冻伤却有2.9万人 。1952年9月，当第九兵团撤军回国时，司令员宋时轮途径长津湖时依然泪流满面 。
长津湖战役犹如一个分水岭，彻底将美军驱逐出了朝鲜北部地区 。中国人民志愿军表现出的那种气概和精神，感染了一代又一代的中国人，铸起了我们民族最坚固的长城 。@文史不假
打赢长津湖之战最难的，不是恶劣的寒冬和美军强大火力，而是很多人忽略的一个事实：志愿军参战兵力和面对的敌人是一样多的！大家都是10万人！
在谈论长津湖之战，很多人都以为是“15万志愿军围攻两三万美军”，然而这个数字严重偏离事实 。
首先，参战的志愿军第九兵团虽然有三个军（20、26、27军）15万人，但实际只有20军和27军投入了战斗，也就是10万人 。26军实际上根本没能参战 。

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