调整和火箭炮打击后，第42军在邓桦指挥下，再次发起了攻击。
这一次，他们改变了战术，不再追求大规模正面强攻，而是以连排为单位，利用火箭炮轰击造成的混乱和美军注意力被西线突围吸引的时机，从多个缝隙和结合部进行更坚决、更灵活的渗透和穿插，一点点蚕食美军阵地，并将他们分割成更小的块。
战斗又持续了一天一夜。
云山的美军在外无援兵、内遭分割、补给断绝、士气低落的情况下，抵抗逐渐衰弱。
10月31日黄昏，在志愿军东西两面的持续猛攻下，云山美军的防御终于崩溃。
残余的美军士兵放弃阵地，试图化整为零分散突围，但大多被严密封锁的志愿军部队捕获或歼灭。
至此，云山之战落下帷幕。
美骑兵第一师第八团（加强）三千余人，除极少数侥幸逃脱外，大部被歼，团长以下众多军官被俘。
志愿军缴获了大量武器装备，包括完好的坦克、火炮、汽车，以及堆积如山的弹药和物资。
消息传到志司，李云龙长长地舒了一口气。
“打得好！38军、42军，都是好样的！这一仗，打出了国威，打出了军威！让美国佬知道，咱们中国人民志愿军，不是好惹的！”
云山之战，作为志愿军入朝后与美军的第一次大规模正面交锋，以中国军队的全胜告终。