26日淩晨2時許，海軍駐澎湖列島馬公港的第一艦隊司令黎玉璽親自指揮旗艦太平號冒著大風大浪抵達金門海域，立即駛入古寧頭西北海域，猛轟大嶝島解放軍炮兵陣地。
26日早晨，解放軍控製著古寧頭半島包括林厝、南山、北山三個村莊和四塊無名高地，總共約1。8平方公裏範圍的地區。
經過一夜的休整和調整，第18軍軍長高魁元仔細觀察地形，發現可以從湖下涉水過海灣，攻擊解放軍據守的林厝側後，便決定出奇兵實施突擊，攻擊前曾組織人員徒涉，因地形不熟未成，後經向湖下居民詢問，才知道隻有低潮時從特定地點才可徒涉。經過精心準備，7時30分國民軍開始攻擊，第14師41團第1營、第201師601團第1營和第3營8連，共兩個營又一個連乘低潮從湖下出發徒涉雙鯉湖，在林厝側後的東鰭尾登陸，解放軍沒有想到國民軍竟會越過海灣攻擊，被打了個措手不及，急忙倉促調集部隊前往南山依托有利地形進行阻擊，雙方在南山附近展開戰鬥，經過激戰國民軍於10時攻占南山，解放軍退守北山。南山一失，林厝就陷入了腹背守敵的險境。
上午8時，天色大亮，國民軍飛機飛臨古寧頭，進行轟炸掃射，為地麵部隊提供航空火力支援。9時許，國民軍54團在右，354團居中，352團在左，三團並列，在坦克掩護下從南麵進攻林厝，解放軍憑借林厝村裏堅固的石質建築頑強防守，與國民軍展開逐屋爭奪，巷戰的戰況殊為慘烈，不斷發生白刃格鬥。11時30分，國民軍占領大半個林厝，解放軍除少數人還在個別據點堅持外，主力退往海灘。
11時許，國民軍第12兵團司令胡璉登上金門島，他剛一上島就立即與18軍軍長高魁元通電話，了解戰況，半小時後胡璉正式接過金門島作戰指揮權，作出以下部署：18軍軍長高魁元統一指揮118師、19軍18師54團和14師41團，進攻古寧頭；19軍軍長劉雲瀚指揮所部在湖尾高地、湖南高地和132高地一線布防，阻止解放軍從古寧頭突圍。
中午先後，蔣經國乘飛機抵達金門島，飛機在金門島上空時，俯瞰全島，慘烈戰況令他觸目淒涼。一下飛機就驅車直奔湯恩伯在水頭村的指揮部，一路上更見屍橫遍野，血肉模糊，其狀慘不忍睹。湯恩伯不僅沒有安排蔣經國與胡璉見麵，反而聲稱戰鬥已基本結束，蔣經國便未與在前線督戰的胡璉會麵，隨即慰問了附近官兵之後便返回台灣。湯恩伯此舉的目的無非是把金門之戰的功勞記在自己帳上，但是畢竟爭不過胡璉，因為金門之戰的主力部隊是胡璉的12兵團，此戰後，湯恩伯就在蔣介石麵前失寵，並逐漸淡出軍政界。與湯恩伯形成鮮明對照的，胡璉在戰後的祝捷會上神色淡然，絲毫沒有欣喜之色，部屬不解，問之，答曰：“八百萬國民軍都被人家消滅了，我們在一個小島才消滅人家九千人，有什麼值得慶賀的？”
午後，國民軍在胡璉親自指揮下，向古寧頭發起攻擊。國民軍在坦克掩護下，步步推進，坦克衝進村落和攜帶火箭筒的步兵一起逐個轟擊解放軍據守的石頭建築，牆倒屋塌後步兵再衝進建築逐屋搜索。解放軍死戰不退，幾乎每個建築的得失都經過激烈爭奪。
17時30分，****354團經過血戰攻占北山，此時金門海岸線除古寧頭附近一小段外已全被國民軍攻占，解放軍餘部隻占據著古寧頭村和鄰近的幾個碉堡。
天黑後，解放軍在島上的五位最高指揮：251團團長劉天祥、251團政委田誌春、253團團長徐博、253團政委陳利華和246團團長孫雲秀在北山古洋樓的一處民房裏舉行作戰會議，商討如何應對嚴峻的局麵，最後一致決定分成幾股打遊擊，並利用一切工具設法渡海撤回大陸。
22時，各團領導率領各團的殘餘人員，利用夜暗向北突圍，在海邊找船未果，便向東突圍，一些沒接到通知的戰士則繼續在古寧頭堅持戰鬥。