2 9日，围攻新兴里的志愿军指挥员詹大南（27军副军长兼80师师长）了解到了新兴里的敌军真实情况，经过两天的血战，80师已经减员1/3，因此他做出决定，将作为预备队的81师师部及241团投入新兴里之战。这是在军史上存在争议的一个命令。支持者称，单靠80师的力量，是拿不下新兴里的，投入81师241团后志愿军才有充足的力量歼灭这股敌军。反对者称，80师的调动使得27军预备队被削弱，如果能留下他们，在之后攻击下碣隅里的陆战1师主力时，27军就有足够的预备队协助20军发动总攻，而不是由于兵力不足，放跑了最大的这一股敌人。
在本鹰看来，问题的关键在于，美军和志愿军以前遇到的任何一股敌军都不同，他们有着非常强大的空投补给能力，无论是枪弹，炮弹，食品，药品，还是汽油和防冻液，都可以从空中降下来，不存在由于地面包围圈而弹尽粮绝的情况，因此，适时发动总攻消灭这一股敌军是合适的。在之后的三、四、五次战役中，志愿军曾经多次创造了包围敌军团级军队的机会，但被围美军只要一发现自己被围，立刻以坦克装甲车辆为核心组织环形防御，猬集一晚，次日白天突围。面对这样的招数，缺乏重武器和步兵火力的志愿军直到五次战役结束也没什么好办法。

29日夜晚和30日夜晚，志愿军5个步兵团相继发起了攻击，这次志愿军改变了战术，尽可能组织班排级别的小规模进攻，引诱美军开火，消耗敌方弹药——这一招只有在新兴里有用，因为美军通讯混乱，至始至终没有给新兴里空投40毫米高射炮弹。而得到补充的下碣隅里就一直顶住了志愿军步兵的攻击。连续两天的进攻双方都付出了巨大的伤亡，12月1日白天，新兴里的美军决定突围，以1营为前卫，炮兵营破坏火炮后居中，3营为后卫，突围的正面是在几天作战中遭受严重伤亡的241团3营8连，8连在预设阵地上拼死阻击，只剩下2班长闫洪全一人，他孤身奋战，终于等到了240团的增援。
239和240团发现敌军突围后，肃清正面之敌展开追击，240团3营7连2排5班长隋春暖在攻击内洞里敌军时表现出色，不顾冻掉了两个脚趾头，指挥5班快速抢占了制高点，给反扑的美军以重大杀伤。在8连阵地被突破后，他的步兵班首先赶来增援，带领全班追出近10公里，在冰湖上与美军展开白刃战，消灭美军7人，其余5人投降。战后。隋春暖成为长津湖之战的第一名特等功臣，朝鲜授予他战士荣誉一级勋章，5班也获得了“新兴里战斗模范班”的称号。
另一股美军试图穿过冰面绕过志愿军的阻击阵地，但冰面无法承担装甲车辆的重量而坍塌，这股美军在湖中冻溺而死。
由费斯中校率领的美军突围分队在南方遭遇了志愿军81师242团3营在1221高地组织的密集火力，美军伤亡惨重，这时美军召唤了航母上起飞的F4U战斗机投下了凝固汽油弹，高地上的志愿军被覆盖，损失惨重，但仍然有少数志愿军活了下来向这股美军射击，费斯中校被两颗手榴弹炸中，当场身亡，他获得了美国军队的最高荣誉——国会勋章。
费斯中校的身亡是美军突围行动的转折点，失去了统一指挥的美军逐渐陷入混乱。在突围开始前美军还有2500多人，但是19点30分，夜色中的车队主力被志愿军近距离爆破，车队陷入了混乱，这时239和240团的追击主力陆续赶来，美军的建制已经被打乱，就连军旗都被抛弃在路上。只有少数幸运的美军离开公路徒步撤进了下碣隅里，大概在300-500人之间，