從美海軍航母上起飛的轟炸機編隊，一批接一批地飛抵砥平里上空，將成噸成噸的炸彈和凝固汽油彈傾瀉在志願軍陣地上。（圖片來源：公有領域）
從美海軍航母上起飛的轟炸機編隊，一批接一批地飛抵砥平里上空，將成噸成噸的炸彈和凝固汽油彈傾瀉在志願軍陣地上，把志願軍陣地炸成一片火海，攻佔G連陣地的一千多名志願軍士兵也在猛烈的爆炸聲中化為灰燼。志願軍的攻勢被遏制了，朝鮮的白天，是美國空軍的天下。
天亮以後，美空軍給駐守砥平里的美23團運來大批補給和彈藥，同時將200多名傷兵用直升機運至後方。美航母艦隊的艦載機介入戰場以後，攻擊任務主要由美航空兵和砥平里附近的美軍炮兵部隊進行。在天黑以前，志願軍是不敢展開大規模攻擊的。
鄧華指揮部對39軍軍長吳信泉連續兩個晚上沒有拿下砥平里極為不滿，15日上午發來電令，要求部隊加緊準備，最遲一定要在16日晚上拿下砥平里。
軍長吳信泉心裡叫苦不迭，參與直接攻打砥平里的志願軍三個師共只有三個炮兵營，加起來才36門炮，而且只剩三百多發炮彈，原本配合攻擊砥平里的炮兵第四十二團，因為馬匹受驚暴露了目標，遭到美軍飛機轟炸全部被毀，這就意味著火力本來就弱的志願軍失去了炮兵支援，只能靠手中的輕武器作戰了。
「沒有炮兵協同，這仗怎麼能打？」譚友林副軍長憤憤地對吳信泉說。
吳信泉默默抽著菸沒有開口。這時從砥平里南方不斷傳來的爆炸聲令他焦急萬分，他知道守衛馬山的115師也已經陷入滅頂之災，正在經受美軍重炮、坦克和飛機的反覆轟炸，這位中共「王牌軍」軍長心裡十分清楚，以志願軍步兵的輕武器與美軍強大火力對抗下去，其後果只能是全軍覆沒。
吳信泉下了決心，喊來作戰參謀：「給」鄧指「發報，講明砥平里的情況，這仗不能再打下去了……」
然而吳的建議並沒有得到「鄧指」同意，鑒於39軍死傷慘重，已實際上失去戰鬥能力，15日中午，鄧華指揮部發來電報，參加砥平里戰役的志願軍部隊，歸40軍指揮，由40軍119師師長徐國夫負責組建「前指」，同時指派40軍軍長溫玉成立即趕赴砥平里指揮戰鬥。
美23團在砥平里遭到十倍以上中國軍隊的攻擊，14日，李奇微將軍命令美騎兵1師第5團北上增援砥平里。15日上午，美第5騎兵團出發，這支由3個步兵營、2個炮兵營、2個坦克連、一個工兵連以及28輛補給卡車和19輛救護車組成的增援部隊，上路不久即受到中國軍隊的阻擊。
中國軍隊佔領了山邊公路兩側，居高臨下射擊，雖然火力猛烈，但效果甚微，美騎兵5團在美軍飛機的支援下向公路兩側的高地進攻，拿下了一個又一個高地，幾百名中國士兵被打死，然而美騎兵5團團長柯羅姆貝茨上校發現：「傷亡巨大的中國軍隊好像越打越多，中國士兵的忍耐力和對死亡的承受力令人吃驚。」
由於志願軍的頑強阻擊，美軍進展十分緩慢，整整一個上午，美第5騎兵團如蝸牛一般地前進。如果美第5騎兵團不在太陽落山之前到達砥平里，砥平里的美23團和美第5騎兵團都將陷入危險境地。柯羅姆奇澤上校下了決心：放下那些載滿物資的卡車以及仍然在山嶺兩側與中國軍隊作戰的步兵，只率領坦克連，憑藉著厚厚的裝甲直衝砥平里。
下午3時，坦克突擊縱隊組建完畢：一共23輛坦克，160名步兵，由柯羅姆貝茨上校親自率領，45分鐘以後，這支孤注一擲的坦克突擊縱隊開始前進了，美軍的轟炸機沿著坦克縱隊前進道路上的所有高地實施了猛烈的轟炸，公路兩側兩個營的美軍則全力向中國阻擊陣地發動鉗制火力的進攻，聯絡飛機在頭頂來回盤旋，擔任引導炮兵射擊和報告前方敵情的任務。為了防禦志願軍的伏擊，坦克突擊縱隊以每輛坦克的間隔50米，總長度為1.5公里的戰鬥隊形迅速朝前推進。
坦克縱隊在通過一個叫曲水里的小村莊（位於砥平里以南6公里）時，遭到中國士兵的猛烈阻擊，阻擊美騎兵一師五團的是在注岩里被美軍炮火擊潰的志願軍第39軍116師的殘部。中國士兵從村莊兩側的高地上向坦克分隊進行射擊，成束的手榴彈在坦克上爆炸，但對厚裝甲的坦克毫無作用，最後，中國士兵在軍官的命令下抱著炸藥包，躺在坦克行進的道路上引爆炸藥。坦克縱隊的數輛坦克被炸毀，搭乘坦克的L連160名士兵也只剩下了60人。幾輛被炸斷履帶停泊在路旁的坦克請求支援時，被柯羅姆貝茨上校拒絕了，他吼道：「不能停下！停下來就全完了！」他命令餘下的坦克不要理會，繼續前進，迅速衝過志願軍把守的曲水里村莊。
在距離砥平里西南約兩公里的地方，坦克縱隊穿過了由115師343團佔據的一段險要的路段：這是一段位於望美山的右側，於山腰鑿開的極其狹窄的豁口，全長140米，兩側的懸崖斷壁高達15米，路寬僅能勉強通過一輛坦克。當時志願軍343團團長王扶之發現遠處大路上煙塵滾滾，還以為是自己的增援部隊，因為曲水里有116師打援，美軍過不來。等到發現是美軍坦克時，已經來不及了，頃刻間，美騎兵5團的十餘輛坦克隆隆而至，343團團長王扶之慌忙派出團部警衛連進行阻擊，在懸崖上面的中國士兵把成束的手榴彈和數個捆在一起的炸藥包扔了下來，又有30多名在坦克炮塔上的美軍士兵在交戰中陣亡，但志願軍343團並沒能阻擋坦克的前進，柯羅姆奇澤上校率領的坦克突擊縱隊，迅速穿過了隘口。
經過1小時15分鐘，美騎兵5團的坦克突擊縱隊成功地突破了志願軍的6公里防線，於下午17時到達砥平里。雖然這支增援部隊只剩下十幾輛坦克和23名步兵（其中還包括13名傷員），但卻給了砥平里的聯合國軍帶來了極大的鼓舞，戰壕中的美軍士兵看到騎兵5團的坦克出現在戰場時，禁不住歡呼起來。
一位參加砥平里戰鬥的美軍老兵回憶：「當騎兵5團的坦克出現在中國軍隊背後時，不可思議的一幕發生了，還在作戰的中國士兵突然驚慌失措起來，他們一個個從散兵坑裡爬了出來，扔下武器向四處逃散，我從來沒有看到過這種景象，防禦陣地四周的山丘上都是逃跑的中國士兵，密密麻麻，漫山遍野！此時飛機追著俯衝轟炸、坦克猛轟、防空高射機槍在怒吼，步兵用各種自動武器向逃跑的中國士兵開火射擊！真是難以相信的一天！我們就這麼解圍了。」
15日傍晚，40軍軍長溫玉成奉鄧華副司令的命令抵達砥平里戰場時，志願軍的戰線已經崩潰，溫玉成軍長登上砥平里的北面207高地，拿望遠鏡俯瞰整個戰場，也被眼前的景象所震憾：在美軍陣地前面，志願軍士兵的屍體堆積如山，尤其是砥平里南側望美山的整個山坡，像一個巨大的露天墳場，全部被屍體覆蓋，場面血腥，慘不忍睹。
面對如此場景，溫玉成軍長不得不打電報給鄧華副司令，明確地表示，這是一場打不贏的戰役，必須立即撤出戰場。
戰場的敗局已無可挽回，當日黃昏，鄧集團指揮部終於做出撤離砥平里的決定。
15日夜，天空開始下起了大雪，守候在砥平里環形陣地中的美軍士兵和法軍士兵還在緊張地等待著中國軍隊的再次攻擊。
漆黑的陣地前沿此時出現了數百支中國士兵的火把，閃爍的火苗猶如死亡士兵的幽靈，時隱時現、吵吵嚷嚷地在美軍陣地四周晃動了整整一夜。
這天夜裡，中國士兵沒有發動進攻，而是在屍體堆裡翻找尚未死去的同伴和抬走部分陣亡者的遺體，由於大部分中國士兵屍體來不及搬走，很快就被大雪掩埋了。
天亮以後，美軍士兵驚愕地發現，戰場上的中國士兵一個個都不見了，陣地周圍的屍體也全都消失了，呈現在眼前的是一片寂靜的山崗和白茫茫的雪原，彷彿什麼也沒有發生過一樣……
砥平里戰役，以志願軍的血腥慘敗而告終。
據美軍資料記載，參與砥平里戰役的志願軍共有5個主力師，5萬餘人，其中115師、負責打援，直接攻擊砥平里的是116、117、119、126四個師。
戰鬥結果：116師還未趕到砥平里戰場就被美空軍的炮火消滅，其他3個師在連續強攻2晝夜之後反被打得支離破碎，死亡人數超過了2萬，最後不得不自行退出戰場。而駐守砥平里的美23團僅傷亡200餘百人。中國軍隊僅遺棄在美23團陣地上的屍體就有一萬多具，另外還有一百多名中國士兵因為難忍飢餓而向美軍投降。
志願軍359團3營的官兵在砥平里戰役中幾乎全部戰死，該營營長牛振厚在撤退時哭著喊著，死也不肯離開遍佈他手下士兵屍體的陣地，最後被硬抬下來。
志願軍357團團長孟灼華在向上級匯報士兵傷亡的情況時，因痛苦萬分而泣不成聲。
這些在國共內戰時期久經戰火錘煉的戰場老兵，也是第一次經歷如此慘烈的戰鬥，在美軍雷霆萬鈞的炮火下，他們的意志和精神全都崩潰了。
中國人民志願軍第40軍119師是林彪「四野」屬下韓先楚的「三縱」，號稱「旋風部隊」，在國內戰場所向披靡，從東北的黑龍江一直打到海南島，沒想到在砥平里僅一個晚上，這股「旋風」就被美軍的一個團打得喪失了戰鬥力。
中國人民志願軍第42軍126師原是林彪「四野」屬下的5縱，該師在遼瀋、平津戰役中，戰功卓著。朝鮮戰爭爆發時，126師作為志願軍首批入朝參戰部隊之一於10月19日夜跨過鴨綠江。第一次戰役中，該師在東線黃草嶺、赴戰嶺地區奉命阻擊聯合國軍的進攻，榮獲了「黃草嶺守備英雄連」及「煙臺峰守備英雄連」稱號。砥平里戰役以後，該師已不成編制，不得不「回國休整」。
在砥平里戰役中死傷最為慘烈的是中國人民志願軍第39軍——這支「四野」的「攻堅尖刀」，在國共內戰中更是屢建奇功。在林彪將軍的指揮下，39軍從東北雪原的長白山一直打到西南邊陲的鎮南關。
朝鮮戰爭爆發後，39軍成為第一批出征朝鮮的部隊。1950年10月25日，志願軍發動的雲山突襲戰中，39軍一舉擊潰美騎兵1師5團，並全殲美騎兵5團第3營，還繳獲了4架飛機，震動了美國朝野。39軍因此成為朝鮮戰爭中唯一一支整建制消滅美軍部隊的中國軍隊，美第5騎兵團3營也因此被美陸軍部取消了番號。
在志願軍發動的「第三次戰役」中，39軍更是一馬當先，率先進入漢城，也成為中共歷史上唯一一支開進敵國首都的軍隊。然而令人沒有料到，這支所向無敵的軍隊，在砥平里不足1.5平方公里的戰場上，被美步兵23團打得屍橫遍野，開戰前擁有3萬多名士兵的39軍，兩天以後，人數已不足1萬人。
16日凌晨，圍攻砥平里的志願軍39軍殘兵敗將，用馬匹馱載著屍體，攙扶著傷兵、在漫天大雪中，淒慘不堪地朝三八線退去，同一個月前這支雄壯威武的部隊開進漢城時不可一世的情形相比，簡直是天壤之別。由於倉皇撤離，大部分犧牲的中國士兵屍體被遺棄在戰場上，被大雪掩埋。
這場死傷慘烈的戰鬥，讓39軍軍長吳信泉內心痛疚不已，風雪中，這位身經百戰的中共將領騎在馬上，不斷地回望砥平里，淚水盈滿了眼眶。此時，他想起了在漢城第8集團軍司令官邸的牆壁上，李奇微將軍留下的一張紙條，上面寫著：「第8集團軍司令官謹向中國軍隊總司令官致意！」
現在他終於明白「致意」的含義了。
40年後的某一天，一位年屆8旬，在中共某「幹休所」頤養天年的老人從電視新聞中看到一則消息：韓國建築工人在砥平里一帶施工中，挖掘出十九具士兵屍骨，據辨認，這些死者生前係中國人民志願軍某部戰士，遺骸四周的泥土裡還散埋著中國士兵用過的遺物，除了子彈、手榴彈以外，還有水壺、飯盒、牙刷、膠鞋、皮夾子等私人物品……根據停戰協議條款，這些屍骨和遺物將交還三八線以北中朝一方安葬。
這則新聞使得這位年逾古稀的老人頓時激動起來，只見他胸口起伏、嘴唇顫抖，渾身不停地哆嗦著，淚水和鼻涕沾滿了衣襟。
原來，這位老人就是這段慘痛歷史的見證人——志願軍第39軍軍長吳信泉，40年過去了，砥平里戰場的慘烈情景，依然是他一生中揮之不去的噩夢。
「砥平里志願軍烈士遺骸」是原志願軍第39軍軍長吳信泉臨終前看到的最後一則新聞，幾天以後，這位老人在病榻上嚥下了最後一口氣——
砥平里戰役是整個朝鮮戰爭的轉折點，中國軍隊令全世界恐懼的「人海戰爭」，被美軍的一個團——步兵23團在砥平里擊得粉碎，彭德懷發動的「第四次戰役」從此煙消雲散。在這場戰役中，志願軍除了丟下3萬多具士兵屍體以外，連大田、安東的影子都沒有見到。
砥平里戰役，使得中國軍隊極其低下的攻堅能力暴露無遺。這場戰役後，聯合國軍從戰略退卻開始轉入了戰略進攻。
「中國人民志願軍」從此以後再也沒有在朝鮮戰場上包圍過美軍的任何一支部隊。
1952年5月，李奇微將軍在美國眾議院的一次聽證會上作證：「我要簡短的提一下弗里曼上校指揮的美國陸軍第23團和配屬的法國營的部隊，雖然他們在遠離主力戰線的前方被數量眾多的中國軍隊包圍，在接近零度的嚴寒天氣下，他們擊退了敵軍的反覆進攻，最後成功地堅持到了援軍的到來。我想說，這些美國軍人和他們的法國戰友，在作戰中的傑出表現，證明了他們是兩國有史以來最好的作戰部隊。」
