1950年11月30日，当晚大雪纷飞，气温继续下降，志愿军冻伤人数大为增加，但仍于23时以4个团的兵力向新兴里发起了猛攻。
二三八团从东南，二三九团从西、二四〇团从东北、二四一团从西北同时开始突击，战至12月1日拂晓各部均突入新兴里村内，与美军展开逐屋争夺。
在纵深战斗中，二四一团二营、三营在公路沟附近以密集队形冲击，结果遭到美军火力拦阻，伤亡较大。
此外，由于同于通信不力，战地总指挥詹大南无法及时有效进行指挥协调，整个战场呈现出混战态势。
美军经连日激战，外援断绝，士气畏缩，此时在志愿军四面猛攻下，渐显不支。詹大南见战场形势有利，果断下令天亮后继续攻击，务求全歼美军！
天亮后，尽管战场上空一直有数十架次美军飞机盘旋，但是由于双方战斗队形交错胶着，美军飞机难以识别敌我，也就无法实施有效的空中支援。见无空中威胁，志愿军士气更旺，连续组织攻击，包围圈越来越小。
二四〇团三连在只剩下两个排的情况下，仍然要求担当主攻被美军占据的三座独立房屋之任务。当他们攻下第一座房子后，由于后续部队未及时跟上，加之地形平坦不便隐蔽等因素，受到三面之美军的火力夹击。但三连官兵临危不惧，与美军展开激战，终于将第三座房屋占领，并牢牢坚守着。
当营长带领后续部队赶来时，坚守第三座房子的战士王德立正报告：营长，俺们的任务完成了！
至12月1日11时许，被围美军开始向新兴里以西进行最后突围。在将所有炮弹倾泻一空后，美军残部在10多辆坦克掩护下拼尽全力向二四一团阵地发起冲击。
二四一团三营八连所在阵地首当其冲，在打退美军几次冲击后，八连官兵伤亡很大。
二三八团、二三九团和二四〇团肃清当面美军后，纷纷转入向美军突围方向追击截击，公路上到处是混战。
二四〇团三营七连二排五班长隋春暖在攻击内洞峙战斗中即表现出色，他不顾两个脚趾冻伤，首先指挥五班迂回攻占制高点，保障了正面攻击的连队主力的安全；当二排遭到美军交叉火力拦截时，隋春暖主动建议自己率领五班坚守阵地掩护全排转移，并击退美军多次反击；最后当邻近的八连阵地被突破的危急关头，他又主动率领全班从美军侧翼发起攻击，夺回了阵地。
此次追击美三十一团残部美军，隋春暖带伤指挥全班追出近10公里。在公路上，他们截住一股美军，隋春暖勇敢地与美军展开近战肉搏，一连毙美军多人，生俘5人。战后隋春暖获得特等功臣称号，并荣获朝鲜民主主义人民共和国战士荣誉一级勋章，五班也被授予新兴里战斗模范班荣誉称号。
美军突破二四一团阵地后继续沿公路南逃，在1221高地附近遭到志愿军二四二团三营全营火力的猛烈射击。
美军队形被打乱，代理团长费斯中校只好下令自行突围，于是美军分成数股四散而逃。费斯在战斗中被手榴弹炸成重伤，不久死在车上。
费斯死后，逐渐失去控制的部队更是失去了最后的组织，全团的最后崩溃由此开始。
突围的一路人马见沿公路南逃无望，竟然企图从冰封的长津湖面上突围，结果冰层无法承受汽车、坦克的重量，轰然坍塌，车上的美军落入湖中冻溺而死。
另一路约400多美军突破二四二团三营的阵地继续南逃，在后浦以北地区被二四二团一营迎头截住。经过一夜激战，至12月2日凌晨被一营消灭。只有200多美军沿长津湖边隐蔽南逃，摆脱了志愿军的追击，逃入柳潭里。
至此，新兴里、内洞峙地区的美军第七步兵师三十一团、三十二团一营及第五十七炮兵营，被二十七军基本歼灭。
北极熊团最终在朝鲜北部的冰天雪地中遭到了覆灭的命运。
二三九团三营通信班长张积庆，在打扫战场时捡到一块1平方米左右的蓝布，其形状和装饰很像一面旗子，但与解放军用红色布料做旗子的习惯不一致，因此他没有在意，把它做包袱皮用了。
后来，他对营长毕庶阳说，捡了一块很奇怪的布。毕营长让他拿来看看。
见了这块布，毕营长大吃一惊，知道这是北极熊团的军旗，赶忙把它上缴了。后来，这面军旗成为国家一级文物，收藏于中国人民革命军事博物馆内。
美军三十一团团旗被缴，团长被击毙，全团几乎被全歼，是美军战史上罕见的。这也是朝鲜战争中，志愿军唯一一次成建制地全歼美军一个团的光辉战例。
彭德怀闻讯大喜，发报嘉奖第九兵团，嘉奖第二十七军。
12月2日凌晨2时，毛泽东致电志愿军总部并宋时轮：庆祝第九兵团两次歼敌大胜利。
朝鲜战争中，美军王牌“北极熊团”，被志愿军战士全部歼灭