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首先冲入云山城内的是山地20师2001团4连，当他们到达公路大桥，守桥的是三韩靖国军的一个排。“一个连的士兵纵队沿着通往龙山洞的干道严肃而整齐地接近南桥面。他们还穿着没有标志的雪地迷彩防寒服，钢盔上也没有标志，所以警戒该桥的三韩伪军士兵可能认为他们是我军的精锐部队，没有查问就让其通过了，因为他们是堂堂正正、十分肃静地走过来的。”日军的战史记述道。据第八集团军军史记载，国防军士兵通过桥梁的时候甚至“他们的连长还和值班的三韩靖国军的军官互敬了军礼”。纵队通过桥以后一直在干道上北进，不久接近营部，他们突然发出信号，一齐向靖国军第5师团第一步兵团部袭击。4连的军事行动如同是在舞台上演出，中国士兵的机智在此表现得淋漓尽致。
三韩靖国军第一步兵团团部立即混乱起来，国防军的士兵成扇面队形展开，团部周围是一片密集的“连弩”半自动步枪的“啪啪”的点射声和“冲击者”冲锋枪的“哒哒哒”的扫射声，间或有手*雷爆炸的轰鸣。伪军很快就败下阵来，整个团部里面被扫荡一遍，几乎所有军官都被第一时间击毙，剩下的士兵除了缴械投降的就是撒丫子逃窜的，再无一人抵抗国防军。
云山城的日军裹挟了一些伪军开始向南逃跑，但是他们的后路已经被截断。一支在乡军人组成的侨民武装急速增援而来，但是当他们行至云山以南龙城洞至龙头洞之间的公路附近时，受到山地20师直属队的顽强阻击。国防军动用迫击炮和107火箭炮向这支颇具实力的日侨武装猛烈轰击，路过的航空队的几架啸鹰攻击机也凑热闹，在大路上洒下倾盆大雨一样的白磷燃烧*弹，这支只有轻武器的七八百人的日侨武装几乎伤亡殆尽，但对于不到两百人的直属队阵地还是无济于事。
云山失守后，第73联队和第74联队的退路彻底封闭了，而从鸭绿江北岸滚滚而来的国防军第八集团军的机步6师和机步8师则对盐川、龟城一线布防的第75、76联队进行了吸引