当志愿军在西线发起反击后，东线美军第１０军(辖第３、第７师和陆战第１师)并指挥韩国第１军团(辖首都师、第３师)仍继续向北推进。东线我军部分兵力尚未到达进攻出发地位，因此决定推迟至２７日晚发起反击。
１１月２７日晚，第９兵团抓住美军兵力分散的有利时机，以８个师的兵力在长津湖地区发起反击。当时寒流席卷长津湖，气温骤降至-３０℃，志愿军指战员忍受着极其艰苦的环境在高山雪地顽强作战，至２８日晨，将一字长蛇似的美陆战１师和美７师一部分割成五段。
美军被包围后，立即以２００余辆坦克在三个主要被围地点组成环行防御阵地。美军被围部队为打开通路，连续不断地猛攻志愿军死鹰岭、西兴里、富盛里、新垈里阵地。第９兵团一面组织抗击敌人的连续攻击,一面调整部署，准备继续歼灭被围之敌。
２８日晚，我第２７军第８０师和第２０军第５８师分别对新兴里和下碣隅里展开攻击，因兵力和火力不足，冻伤减员严重，仅在外围毙伤美军１０００余人。此时志愿军主要依靠步兵火力攻坚，向敌人攻击时虽在夜间一再突破敌人阵地，但在天亮前总是无法解决战斗，为防空袭而被迫撤出。
下碣隅里和古土里之敌为打开通路，于２９日分别向我第５８、第６０师阵地连续发起猛攻。在坚守下碣隅里东南角之１０７１.１高地的战斗中，第５８师第１７２团连长杨根思率领一个排连续击退优势之敌的八次进攻。战至１０时，全排仅剩两名伤员，弹药已经耗尽。当我增援部队尚在中途时，敌人又发起了第九次进攻。在危机关头，已负伤的杨根思抱起仅有的一包炸药，冲入敌群，与敌同归于尽，以自己的鲜血保住了阵地。后来直到陆战１师向南撤逃，也没能踏上这块能俯瞰整个下碣隅里的１０７１.１高地一步。
３０日晚，第２７军集中第８０、第８１师主力对新兴里之美７师３２团和３１团１个营及师属炮兵营发起进攻。激战至１２月１日拂晓，将敌压缩于狭小地域。美军在伤亡惨重的情况下，以十余辆坦克为先导向南突围。我军在尾追堵截中将其基本歼灭。
此时，西线敌人已经全线退却。新兴里之敌被歼后，东线“联合国军”更加动摇，也开始了全面撤退。志愿军第９兵团调整作战部署，加紧攻歼被围之敌。１日和２日，第２７军主力和第２０军第５９师在囦水里、死鹰岭地区，与从柳潭里撤退的陆战第１师主力展开激战，歼其一部。突围之敌大部丢弃重装备逃到下碣隅里。
陆战第１师主力集中至下碣隅里后，一面空运伤员，一面纠集南面之敌北援接应，准备立即突围南逃。６日晨，在大量飞机、坦克的掩护下，经古土里继续向南突围。当日志愿军第２６军也投入作战，志愿军层层阻截,步步紧追。１２月７日，敌逃至古土里，８日７时继续在大量航空兵支援下向南突围。进行堵击的第２０军指战员在零下３０度的严寒和粮弹几乎消耗殆尽的情况下，顽强作战，层层拦截，使美陆战１师几乎面临绝望的境地。但终因装备和气候过于恶劣，使逃敌突破防线于１２日窜至五老里，没能达成歼灭陆战１师的目的。
美第７师一部和韩第３师、首都师自惠山镇、清津等地分别从陆路和海上撤退，于１４日撤至兴南地区。陆战１师残部亦撤向咸兴和兴南。人民军已于９日收复元山，切断了敌人的陆上退路。“联合国军”被迫调集三百余艘舰船，将美第１０军和韩国军队全部从兴南港实行海上撤退。我第９兵团第２６、第２７军部队，不顾作战疲劳和冻饿的困难，同朝鲜人民军第３军团继续追歼逃敌。我军于１７日占领咸兴，随后直逼兴南港，２４日收复兴南地区和沿海各港口，敌人除一部被歼外大部从海上南逃。我志愿军东线作战至此结束。
第二次战役东线作战给美军引以自豪的王牌——陆战１师以沉重打击，志愿军在恶劣的环境下歼灭敌人达一万三千人以上，并且全部收复了朝鲜北方东海岸地区。
