（一）發現兩個師
11月4日，淩晨，誌願軍第40軍開始對寧邊發起進攻時，韓國第1師於淩晨3時棄城南逃，第40軍迅即展開追擊作戰。部隊不顧敵機封鎖，白天徒涉九龍江，沿清川江左岸向安州方向展開追擊，進至寧邊西南的龍淵洞、龍興洞地區，與美第24師部隊遭遇，展開激戰。這天早晨，美軍發現在寧邊西南70公裏附近約有1000名中國軍隊（第120師）在渡涉九龍江，但不久即隱蔽在森林中不見了，他們正在向美第19團第1營迂回。雖然美軍執行戰場監視任務的偵察機發現了中國軍隊的行蹤，但是，這一情報並沒有傳達給第1營。誌願軍第120師左路第358團突然進至19團1營背後，襲擊了營部。美19團1營驚惶失措，遺棄了重裝備和車輛向東方撤退，經清川江南岸奔向安州。美第19團團長知道第1營危急後，即命令預備隊第3營北進，在館洞附近遭到了中國軍隊第120師右路第359團的阻擊。第359團在龍淵洞附近發現美軍南撤和北援部隊後，立即搶占公路兩側製高點，將南撤的第19團第1營攔腰截斷，同時阻擊北援的第3營。經兩個小時激戰，全殲南撤的美第24師第19團第3連，並擊潰了北援之敵。此戰（龍淵洞戰鬥），誌願軍共斃傷俘敵300人，繳獲汽車81輛、榴炮8門和大批軍用物資。不過美軍認為，此戰很僥幸，人員損失不多，第二天就重新配發了裝備。
下午，誌願軍第40軍逼近美19團主力占領的苧峴—123—98高地一線，作出迫近其左側後的態勢。美第24師師長丘奇將軍於16時30分向師預備隊第21團下達了如下命令：“明日，向進攻第19團的敵人右側後實施進攻”，企圖協同第19團固守清川江北岸橋頭堡陣地。不過，丘奇師長的指揮水平確實有限，19團在什麼地點？如何理解“敵人的右側後”？鬼知道，竟然如此協同作戰？當夜，第120師主力和第119師第355團進至清川江畔的花田裏、修隅洞地區。
美第8集團軍的情報估計。戰況十分緊迫的這一天——中國軍隊介入以來的第10天，情報部第一次記錄了綜合的兵力判斷，上麵寫著：“兩個師單位的正規軍進入了朝鮮”，這是美軍有記錄的第一次承認了正規軍介入。
（二）退守清川江
11月5日淩晨，美第24師在龍興洞地區向誌願軍展開猛烈反撲，美第21團的第1、第2營隻好進入19團的防區，配合驅逐滲透到第19團陣地內和翼側的中國軍隊，在鞏固了其防禦之後，又回到師預備隊。當晚，誌願軍第120師主力和第355團對龍興洞之敵展開進攻，殲敵一部，迫使美第24師主力撤至清川江南岸地區。
清川江北岸地區的朝鮮居民爭先南下，僅4－5日兩天時間，就有約2萬人通過了美軍的前哨線。這一天晝間，韓國第2軍和美第19團的戰線卻十分平靜，美軍形容說，隻見飛機在睛朗的天空上胡亂飛舞。昨天飛虎山的激戰與龍淵洞的敗戰猶如一場夢，中國軍隊的動向，就連鷹一般四處張望的偵察機也沒有發現。
11月3日黃昏，英第27旅將澳洲營和阿吉爾營主力扇形並列配置在大寧江西岸，以米德雷營占領博川鎮周邊高地，以阿吉爾營的A連作為預備隊控製在橋畔。美第61野戰炮兵營在大寧橋東側占領陣地，形成全般支援態勢。11月5日拂曉，誌願軍第39軍117師約有1個營的兵力，從無警戒的東側高地襲擊了第61野炮營的陣地，美軍炮兵被迫以抵近射擊應戰。117師的部隊抱著炸藥包接二連三地向炮位和大寧橋實施迫近攻擊，目標似乎是要炸掉博川橋，後來終於爆破了1門火炮和6台車輛。美第61野炮營的1連一整夜都進行了猛烈炮擊，以至發射完1500發炮彈，射擊距離都是在50—100米，在炮位附近有70具中國兵的屍體，確保了大寧橋。對這一戰果，美軍十分得意，還給炮兵部隊還發布了嘉獎令。這時中國軍隊在博川東南側高地一帶占領了陣地，英軍以阿吉爾營和澳洲營企圖奪回丟失的西未力裏高地，但是傷亡慘重。英第27旅看到防守無望，立即定下晝間撤退的決心，首先撤回博川的米德雷克營，令其向南進攻。雖然有空軍的大力掩護，但是也不斷受到中國軍隊側射火力的威脅和難民牛車堵塞道路，該旅脫離了虎口，但受了不少損失。5日下午，英軍抵抗不住誌願軍第39軍的猛烈進攻，在空中和地麵火力的掩護下，撤至清川江以南。第117師在博川地區與英軍形成對峙。
在朝鮮西線戰場上，誌願軍已經全線進至清川江北岸。美第8集團軍除以少數部隊扼守清川江北岸橋頭堡陣地外，主力部隊已全部撤退到清川江以南，並在新安州至價川一線占領沿江陣地，兵力比較集中，構成了新的防線。誌願軍如果繼續南進，必須強渡清川江，與敵軍進行陣地戰。同時，誌願軍火力不足，且已連續作戰近10天，部隊比較疲勞，糧彈供應也發生困難。4日當天，彭德懷致電毛ze東：朝北反攻戰役已結束。此次戰役消滅敵人僅7個團，但對穩定朝北人心，使我軍站穩腳，堅持繼續作戰，是有意義的。同時考慮因消滅敵人不多，我軍實力尚未完全暴露，美偽軍還可能重新組織反攻。根據我軍當前已很疲勞，糧彈運輸困難，且冬寒將至等情況，我們擬采取鞏固勝利，克服當前困難，準備再戰的方針。毛澤東複電同意。11月5日9時，彭德懷等誌願軍首長命令西線各軍停止進攻，結束第一次戰役。但是，在部分地區接受命令的時間有差異，因而還進行了零星戰鬥。