中國人在仁川登陸前一直不太願意參予朝鮮戰爭。毛澤東以及中共高官們經過長期爭論後，終於在10月2日下定決心。然而，由於部隊調動的困難，以及蘇聯背棄空軍支援的諾言使中國人對參戰再度猶豫，中共軍隊一直拖到10月20日方進入朝鮮。

中國人最初的計劃是在北朝鮮的中部山區建立一條從安州到咸興的防線。中國人打算在冬季蘇聯裝備到達以前守住這條防線。開春後，再利用手中現代化蘇式武器將聯合國軍趕出整個朝鮮。

10月20日，中共軍隊開始跨過鴨綠江。然而，第八軍此時已攻克平壤，並且向北越過清川江繼續向鴨綠江邊挺進。中共軍隊已無法按計划進入指定地點。10月25日，中共軍隊與第八軍在清川江以北遭遇。經過九天激戰，中國人重創第八軍並迫使它退回清川江南岸。

在朝鮮半島東部，南韓軍兩個師在10月10日奪取了元山並繼續向北推進。毛澤東估計這兩個師向北打到長津水庫後會向西轉進。為保護與第八軍作戰之中共軍隊的左翼，隸屬第三野戰軍的42軍接到命令向南進入山區，尋求戰機企圖殲滅南韓軍這兩個師。11月3日在榮光地區被海軍陸戰1師第7團擊潰的中共軍124師就是這個軍的先頭部隊。

毛澤東一直以為海軍陸戰1師會在平壤附近的南浦港登陸。出乎他的意料，海軍陸戰1師與陸軍步兵第7師一起出現在朝鮮東海岸。毛澤東認識到他需要加強東線的兵力。他隨即命令第三野戰軍精銳，宋時輪第九兵團12個師15萬人馬立即開入朝鮮，“尋求戰機消滅敵人在東線的4個師” 。

第九兵團11月5日進入朝鮮。20軍(共4個師)最初占據從滿浦到林產里一線，阻擊所有向西的通路。27軍隨後跟進，向東占據狼林城負責保衛向北的通道。26軍最後出動，在臨江過江並占領臨江和赴戰之間的位置，阻擊可能來自步兵第7師向鴨綠江邊的攻擊並擔任兵團預備隊。

11月12日，宋時輪將軍制訂一份作戰計劃，首先攻擊並消滅海軍陸戰1師先頭部隊第5團和第7團，然後再將整個第10軍團一部一部消滅掉。宋時輪將他的計劃送交毛澤東批准。毛澤東在回電中說：“美國海軍陸戰1師是美國軍隊中戰鬥力最強的部隊，用我們4個師的力量去消滅它兩個團似乎不太夠。你應該再增加1或2個師做為預備隊。26軍應駐紮在靠近前線的位置” 。

第九兵團原計劃在11月25日發起攻擊以配合中共軍隊在西線的作戰。但由於部隊進入攻擊位置遲緩，一直到27日方準備完畢。此時整個作戰配置如下：

在柳潭裡, 89師的4個營在向西的道路上阻擊我軍的攻勢，79師以及94師各1個團從北發動攻擊。59 師負責切斷柳潭裡以南我軍後路並占領死鷹嶺。 在下碣偶里, 58師從西南方向發起攻擊並占領該鎮。 60師負責切斷下碣偶里和古土裡之間的道路並占領古土裡。 在長津水庫以東，80師外加81師一個團將攻擊並消滅我軍陸軍作戰單位。

到11月29日，宋時輪發現他的攻勢進展並不順利。在柳潭裡 擔任主攻的79師攻不破我軍防禦陣地。當晚宋時輪改變了作戰計劃，把他的主攻方向移到水庫以東對陸軍31步兵特遣隊(兩個步兵營，一個炮兵營，一個裝甲重機槍連)的作戰上。81師剩餘的兩個團，又加上94師一個團共7個團投入了戰鬥。

戰役在12月2日達到高潮，但雙方當時都未認識到。那一天，陸戰隊第5第7兩個團突破了中共軍在死鷹嶺的阻擊陣地，並將於第二天到達下碣偶里。中共軍在水庫東側打垮了陸軍31步兵特遣隊，但自己也消耗過大無力再戰。在最初參加攻擊的中共軍8個師里，有5個師不得不撤離戰場，另有兩個師也遭受嚴重損失。

在柳潭裡，79師和59師退出戰鬥。水庫東側的80師和81師也不能再參與進一步的行動。在下碣偶里, 58師在它自己向我軍防禦陣地發動的攻擊中已基本被消滅。60師被嚴重削弱以至它已無力向古土裡發起攻擊。89師也傷亡慘重。

中國人在地面戰鬥，空襲，及嚴寒的天氣里傷亡巨大。酷寒的天氣曾是我軍最大的敵人現在卻是我軍最大的盟友。由於沒有適當的禦寒服裝，中共軍隊的戰鬥力因為大批士兵被凍死凍傷而被嚴重削弱。中共軍隊落後的後勤供應系統也是戰敗的重要原因之一。2-3天內，大部份中共軍隊耗光了在過江時隨身攜帶的彈藥，而且食品也供應不上。

因此，宋時輪將軍在12月2日命令在赴戰江以南的26軍投入戰鬥，接替對下碣偶里的進攻。26軍由於遇到猛烈的空襲行動遲緩，而且，根據一份中國資料表明：“一些部隊在暴風雪中迷失了方向”。直到12月5日，26軍仍不能對下碣偶里發起攻擊。先期到達的部隊占據了東山並企圖堅守。12月6日晚，當海軍陸戰1師向下碣偶里攻擊前進時，曾與26軍某些部隊發生戰鬥。但26軍的這些部隊組織不起有效的反擊。

最後的障礙是Funchillin山口。在絕望中，毛澤東命令宋時輪組織58師和60師殘部在此做最後的阻擊。陸戰1師為奪取山口最初發動的攻擊遇到了中等程度的抵抗。然而，12月8日之夜是整個戰役期間最冷的一晚，刺骨的寒風呼嘯穿過山口，使大批中國士兵被凍死在戰壕里。對凍死凍傷的恐懼也使中共殘餘部隊不敢再戰。最後的障礙被清除了。12月11日，我軍全部撤到咸興，與陸軍步兵第3師會合。

第九兵團殘部在咸興與重建的北韓軍第三軍團會合。但無論哪只部隊都無力發動攻擊，只能向中國資料中講的那樣：“原地監視敵人” 。中共承認非戰鬥傷亡空前巨大。一份資料承認大約4萬人被凍死凍傷。這與我軍估計僅26軍就有1萬人凍死凍傷大致相符。同時中國人戰鬥傷亡也同樣慘重，海軍陸戰隊統計擊斃2萬5千人，擊傷1萬2千5百人，幾乎與正常的傷亡比例正好相反。由於中國士兵基本上沒有醫療協助，在那種奇寒的天氣里，哪怕很微小的傷口都是致命的。整個第九兵團基本上傷亡掉一半。12月17日，當毛澤東聽說中共士兵們在Funchillin山口被活活凍死的消息時，他打電報對那些死於寒風中的士兵表示他“最深切的哀悼” 。

第十軍團司令部報告6千餘人傷亡失蹤。其中陸戰1師783人陣亡，三千人負傷，另有大批凍傷。聯合國軍所有參戰的5個師都無需休整即可再戰。

中國人在整個戰役中動用了30個師。其中18個師在西線，12個師在東線。空前的傷亡使第九兵團所有的12個師元氣大傷。40%的中共軍隊在3月底以前不經休整無法再戰。要是這12個師在51年1月-2月第四次戰役第五次戰役時能夠發揮作用的話，他們的存在將是決定性的。戰爭可能早在那時就結束了。

因此，公平地說，海軍陸戰隊第1師和陸軍31步兵特遣隊在海軍陸戰隊第一航空大隊，第77快速運輸機特遣隊的直接支援下，在空軍第五大隊，陸軍步兵第3師的配合下，在長津水庫扮演了決定性的角色。我們放棄了地面，但我們拯救了整個戰爭。