15时，利兹伯格上校和5团团长雷蒙德默里中校都意识到危险即将来临，不可能继续进攻计划，立即下令停止进攻转入防御，此时美军在柳潭里共有5个步兵营加1个步兵连，1个炮兵营加4个炮兵连，18门155毫米榴弹炮、30门105毫米榴弹炮以及24门107毫米迫击炮，这些炮兵在柳潭里东南开设炮兵阵地，由炮兵第1营营长哈威·菲汉中校统一指挥，炮口全部指向西方和西南方。
本来每个陆战团还有一个拥有5辆坦克的反坦克炮连，但柳潭里的美军没有一辆可以使用的坦克，由于下碣隅里——柳潭里公路简陋又结了一层厚冰，26重型坦克可能难以通行，于是在27日先派了1辆4a3坦克来探路，这辆4a3坦克用了三小时才到达柳潭里，天黑前坦克乘员在就乘直升机返回下碍隅里，准备28日引导4辆26坦克通过下碣隅里——柳潭里公路。同日，第1勤务营分遣队运来了3日份量的c种野战口粮和b种野战口粮、还有巧克力、饮料，饼干、面包、口香糖、燃料以及2个基数轻武器弹药，为了能送来更多补给品，陆战第5第7团除了留下约40多辆卡车，其他卡车也随分遣队返回下喝隅里。
柳潭里一个是四条公路交汇的盆地，周围由五座山峰和连绵的高地环抱，霍默利兹伯格上校将10个步兵连环绕柳潭里建立起环形防线，陆战7团3营h连布置在1403高地山顶，陆战5团2营e连布置在1403高地南坡，陆战5团2营d连布置在1426高地山顶，陆战5团2营f连布置在1426高地北坡，陆战7团3营g连布置在1294高地山顶，陆战7团1营a连布置在1294高地和1276高地间的山谷，陆战7团1营c连1排布置在1276高地山顶，陆战7团1营b连布置在1276高地和1167高地的山谷，这里是柳潭里正东面，陆战7团2营d连布置在1240高地山顶，陆战7团2营e连原本布置在1384高地山顶，但e连上错山了，导致1384高地山顶无人，仅南坡有陆战5团3营丨连一个排，另外陆战7团c连和f连扼守下碣隅里——柳潭里公路中间的德洞关。
11月27日17时，中国军队在长津湖东西两岸同时动手了，根据计划，89师和79师237团负责击破陆战7团3营h连、陆战5团2营e连、f连，首先夺取1403高地，79师主力负责击破陆战5团3营i连、陆战7团2营d连、e连，夺取1384、1282、1240高地，59师击破陆战7团1营c连、2营f连，抢占德洞关切断柳潭里退路，理论上每个陆战营要面对中国一个师，但山地地形使中国军队很难展开，优势并不理想，79师的重点就是1403高地，陆战7团3营h连本来计划凭借有利地形控制山谷，但陆战5团2营之间有一个空隙，陆战5团2营e连和f连在h连以北公路上，d连在公路以南，27日22时，79师237团1营1连在炮火支援下首先发起进攻，正好从3营h连和2营e连之间的空隙之处部渗入，迅速夺占1403高地。
陆战5团2营e连立即反扑击，79师237团1营1连突击排在美军三面火力夹击下伤亡惨重，剩下5个人坚守到3连赶到，双方在1403高地展开了反复争夺，237团最终获胜，但伤亡巨大，陆战5团2营e连也退回山谷，在1403高地战斗的同时，235团1营本来是攻击1240高地，但走错路，攻上了陆战7团2营e连防守的1282高地，e连连长菲利普上尉在235团1营第1、2连距离美军3-4米才下令开火，造成235团1营严重伤亡，235团1营马上改变战术，以小单位在正面吸引美军注意，主力从后方迁回，打死了菲利普上尉，双方激战了2小时，235团1营第1、2伤亡殆尽，180人的e连也剩下了40人。
28日凌晨3时，35团1营3连赶来增援，打败了赶来增援的陆战5团1营a连，在5时夺取了1282高地，美军陆战5团1营c连又赶来发起反击，又夺回了1282高地，235团2营负责攻击1384高地，这高地本来是由陆战7团2营e连防守，但e连错上了1282高地，陆战5团3营发现后来不及补救，只好在南坡以3营i连1个排建立警戒线，另外韩国警察在其身后270米处布置两挺机枪，由于1384高地主峰无人防守，被235团2营轻松占领，随后用45分钟突破了3营i连警戒线，韩国警察转身就逃，235团2营居高临下攻击陆战5团3营营部，打死副营长约翰-坎尼少校，而营长r-塔普利特中校独自藏在帐篷里组织反击，夺回了主峰并立构筑阵地。
柳潭里最重要的战斗是1240高地，1240高地地势陡峭，丛林茂密，山顶长20米，宽约4至5米，对面300米三个圆顶，站在山顶上可以看到右下方的柳潭里和公路，山角与1282高地相连，公路左边是11671高地，这里本来是236团3营的攻击目标，21时30分，236团从赤水里抵达校洞里，3营在11671高地没有发现敌人，3营第8连一部分占领11671高地西南侧，一部分占领了1240高地东南，第79师部要求寻找水闸，侦察了2个多小时没找到水闸，79师师长萧镜海命令章尘团长指挥236团过江，他们犯了一个大错，如果他们继续走1167高地，就撞上哈威·菲汉中校指挥的炮兵群，就有机会歼灭这个一夜对发射了数千发炮弹，打退235团2营第三轮猛攻的炮兵群。
可章尘团长一直到凌晨4时30分才找到第3营，考虑到天要亮了，于是下令第7连在11671高地向西，第8连在1240高地向西北，第9连从北边，联合进攻1240高地，放过了击破柳潭里的最佳机会。
作为尖兵，第7连第6班和4班13名士兵先越过公路，1240高地上的陆战7团d连在距离尖兵班第3组20米处突然射击，6班伤亡两人，6班长让第3组与火力组正面牵制。
第1组、第2组从右方迁回到敌人侧背攻击，歼灭10余人后进至距山顶10余米处投手榴弹，炸伤了d连连长米尔顿-赫尔上尉，6班分三面进攻，一下把d连赶下了山顶，满脸是血的米尔顿-赫尔上尉带着16人在斜面坚守。
凌晨1点45分，陆战第5团c连3排赶来增援，和第7连3排撞上，3排伤亡十余人，连长牺牲，副连长聶子玉和3排排长吕以寸正在犹豫间受到美军两个连夹击，3排伤亡殆尽，8连以为7连得手，一拥而上，遭到d连射击，伤亡巨大，章尘团长见攻击失利，命令236团1营9连与3连掩护7连和8连撤出战斗，1营3连在掩护中发现美军正在抢占山顶，但没有抢先一步占领山顶，失去了机会，236团3营伤亡到只剩下3个排，休整到上午8时再次进攻，由于行动迟缓，又改为下午3时，这次吸取了教训，以分散队形猛攻，顺利攻占主峰，把美7团d连赶岀150米，d连几乎全部伤亡，5团c连3排也伤亡一半，到了黄昏陆战5团d连换下了7团d连准备反扑，而236团也以2营接替伤亡很大的3营守备1240高地。
236团2营6连134人在晚上22时接防后，连长王绍云以3排8班在正面防御高地右侧，第7班防守山角，9班在阵地左右方隐蔽，1排和在2排高地后侧隐蔽待命，随时准备由从左右发起攻击，6连共有3门60毫米迫击炮，6挺轻机枪，25支冲锋枪，营长又把5连3排，两门82毫米迫击炮、3门60毫米迫击炮，两挺重机枪加强给6连，迫击炮分成三个组布置在1排阵地后山腰，在200余人只有40把铁锹8把镐头情况下，战士们还是花了5个小时构筑了防御工事，但这些工事大部分是没有遮盖物。伪装和交通壕，炮兵阵地也比较暴露，阵地右侧空虚。
11月29日拂晓，2排副排长带领3名战士前去侦察，在山腰受到前来进攻的陆战第5团d连40多人射击，牺牲一人，几分钟后，美军炮兵和战斗机猛烈轰击1240高地一个小时，之后美军就冲了上来，本来王绍云连长想等美军靠近到50米才开火，掩护侧翼出击部队出击，但个别战士在200米就开火，王连长的战术没办法用了，只好命令全连开火，打垮了美军第一次进攻，但美军强大的炮火摧毁不少防御工事，下午14时，美军一个排攻上了1240高地前沿，但在7班的刺刀和手榴弹打击下了下被击溃，作为预备队的第2排加入战斗，但队形十分拥挤美军炮兵炸死炸伤19人，剩下靠近山顶时受到密集火力封锁下，还没接触就丧失了战斗力，最后10个人按替3连7班阵地，配属的5连第3排接替6连2排的阵地。
这时的气温急剧下降到零下40多度，下雪湿透衣服，导致不少战士冻伤，冻僵冻死，因没有热饭和吃冰雪还普遍拉肚子，下午15时，陆战5团第1营100余人在火力掩护下再次发起进攻，几乎摧毁了6连所有阵地，6连经过惨烈的肉搏战才击退正面攻击，美军利用密林偷偷摸摸到第3排前沿，突然突破8班阵地，王绍云连长带领5连3排沿左侧出击夺回阵地，之后陆战5团第1营又发起第四次攻击，但又被打退，到29日黄昏，6连毙伤美军100余人，自身也伤亡75人，章团长认为6连已经无力坚守了，因此他命令1营3连接替，11月30日，1营3连打退了美军多次三路进攻，12月1日，27军94师投入战斗，美军开始逃跑，236团于14时30分占领了柳潭里。
纵观整个长津湖战役，美军作战减员4418人，冻伤减员7313人，其中死亡及失踪2500余人。九兵团战报是歼敌7000多人，一说是统计口径不同，比如新兴里溃散的1000多美军，志愿军是计入歼敌数的，而美军已经收拢了这批人，自然不算。二说是由于志愿军根本就没有粮食了，所以很多俘虏都被放走了。
说到粮食，27军、20军还在行进途中就已经粮食不济了，但后勤转运十分困难，朝鲜人不信任志愿军，大批大批朝鲜人越过志愿军防线逃难到美军营地。还有少量朝鲜人利用志愿军对朝鲜人的不威胁、不阻拦，往返穿越志愿军防线将情报报告给美军，也有说法是随行韩军假扮平民所为。从柳潭里开始就有大批朝鲜人跟随美军撤退，长津湖地区大约有几千人，最后共计9万多朝鲜人在兴南港随美军离开。而走在后面的26军无粮可筹，饿死的也不少。
九兵团此战作战减员14，000余人，冻死冻伤30，000余人，其中冻死4000多人，阵亡7300余人。
尽管在长津湖战役中九兵团战役准备、战术行动均出现多处重大纰漏，但九兵团克服巨大困难、发挥超强意志和勇气迫使美陆1师及整个美第10军撤离北朝鲜，战略上无疑是一巨大成果。
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