在李承晚第八師於橫城地區被我軍殲滅之後，為了繼續擴大戰果，志願軍東線集團首長鄧華於2月13日上午即命令當時作為軍預備隊的我師356、357兩團和120師之359團、125師之375團以及配屬砲兵第42團計5個團的兵力，指定由我師師長徐國夫統一指揮，圍殲砥平里急欲逃跑之李承晚約一、二個營的敵人。
我師首長無條件地執行了上級的命令，立即組織指揮部隊於當日16時半發起攻擊。不過由於參加戰鬥的幾個團都是由不同單位臨時配屬合成，通信聯絡不暢，而砲兵第42團在按命令向砥平里行進途中因馬匹受驚暴露了目標遭到敵機轟炸，損失嚴重，已無法投入戰鬥，375團在預定攻擊時間之前也失去聯繫，因此，參加攻擊的戰鬥部隊只有356、357和359團，整個戰鬥是在完全沒有炮火支援的情況下投入的，且投入十分倉促。
砥平里北靠鳳山尾，東南亦有些小山，中間為起伏地，原州至漢城的鐵路由此經過，並有兩條公路分別通往南面的驪州和利川，交通比較方便。我們的作戰意圖是防止敵人逃跑，予以就地殲滅。我師首長分析：西面漢城被我軍佔領，北面是我軍的主力防線及後方，東面橫城之敵已基本被我軍消滅，敵人不可能向西、向北、向東三個方向逃跑；惟有南面的驪州和利川為敵之縱深防禦地帶，砥平里之敵只能向南逃跑。所以，師首長命令357團向南攻占鳳尾山，356團由東向南攻擊，截斷敵人南逃之路後再與357團南北夾擊。
戰鬥開始時比較順利，356團和359團先後攻占了砥平里東南部的幾個高地，逐漸接近驪州公路，357團攻擊方向雖然阻力較大，但進展也很快，已靠近鳳尾山主峰。但到2月14日凌晨以後，部隊越接近砥平里阻力越大，幾乎每個高地都有敵人布防，雖並非永久堅固工事，但敵人的武器先進，殺傷力強，加之有炮火支援，我軍的傷亡開始增多。陣地前沿和偵察科傳回的情況都表明不是李承晚的部隊，也不像似準備逃跑之敵。凌晨6時以後，敵人的飛機輪番向我方陣地投彈轟炸，敵人的砲兵和坦克也不間斷地向我方陣地轟擊，我們部隊的傷亡越來越多。而且，這時我們的部隊可以看到敵人修有許多工事，並且不時有敵人向工事地面澆水，使地面結冰，以防止我軍攀登。那兩天的天氣也特別寒冷，雪下的也特別大，幾乎雪深沒膝。而敵人越來越狂，安穩不驚。參戰指揮員都覺得越打越不對勁兒。
這時，356團抓到一個俘虜，經審訊得知：砥平里的敵軍並不是李承晚的部隊，而是一個法國營和一個美軍坦克中隊；李承晚第八師在橫城地區被殲後，美軍第二師師長擔心在砥平里的法國唯一參加朝鮮戰爭的一個營被我軍殲滅不好向國際上和他們的上司交代，因此急速將兩天前從這裡調走的美軍第23團於13日又調了回來，同日晚，還增調一個砲兵營到砥平里來。實際上，砥平里之敵總數約達6000餘人，且均為裝備極其現代化的美軍和法軍，完全沒有逃跑的跡象。同時，美軍騎兵第一師和英軍第27旅各一部也正向砥平里方向運動，隨時準備支援砥平里之敵。敵人之所以膽敢在砥平里狹小的地區如此密集地集中那麼多部隊，安穩不驚，是因為看準了我軍不但沒有空軍轟炸他們，而且也沒有強大的砲火打擊他們，主要靠的是步槍、機槍和手榴彈對付他們空中地面極其現代化的武器裝備，而我軍的實際情況也確是如此。敵人靠著來來往往不斷的直升飛機運來充足的供應物資，運走傷員，而我軍的糧彈供給日益困難，傷員得不到及時後運。敵人的企圖很明顯：利用砥平里他們早就佔有的有利地形，固守砥平里，消耗我軍戰鬥力，伺機奪回橫城，然後再東西兩線齊頭並進向我軍整個防線發起進攻，收復失去的“三八線”以南地區。
2月14日中午以後，敵人的砲火開始瘋狂起來。我方陣地不斷遭敵猛烈砲擊，同時，上空不斷有被我們的戰士稱為“紅頭蒼蠅”、“吊死鬼”和“大黃馬蜂”的三種飛機成群的輪番轟炸掃射。我們的傷亡越來越多。這時，由於通訊聯絡不暢，師首長與參戰各團的聯繫時而中斷，不能及時了解戰況和下達命令，而且與東線集團首長鄧華指揮部也常常失去聯繫，無法及時報告戰情和請求指示。在此情況下，師首長只好果斷作出決定並立即派人命令各團：不要被動隱蔽，分小股出擊，盡可能接近敵人地面部隊；將敵人的坦克放得近一些，適時炸毀幾輛，但不要強攻；用手中武器打擊敵人低空盤旋的飛機特別是敵人的偵察機。半個多小時以後，我各團陣地出現了對空射擊，357團、359團各擊落敵“吊死鬼”飛機1架，356團擊傷敵“紅頭蒼蠅”飛機1架。同時部隊開始向敵防線推進，至天黑前已接近敵外圍防線，將全部敵人壓制在兩平方公里的地域之內。戰鬥打得異常慘烈。我們師的機關雖然不在第一線，但距離第一線並不遠，戰鬥慘烈的情況完全可以憑直覺感受得到。 14日夜至15日上午，由於敵人憑藉工事頑強抵抗，致使我方的攻擊進展不大。此時我方三個團的傷亡人數已達900多人。
2月15日下午2時，師首長接到東線集團首長鄧華指揮部的命令，要求部隊撤出戰鬥，不要再行強攻。鄧華首長從全局考慮，要全殲砥平里之敵難度極大，缺乏勝利的把握，而且我軍糧彈接濟極其困難，硬要堅持可能彈盡糧絕，這幾天來部隊基本上是以一把炒麵一把雪來充飢，且傷亡極大，所以作此決策。但許多參戰指戰員仍然求勝心切，對此命令想不通，表示做出再大犧牲也要爭取全殲砥平里之敵的勝利。不過，部隊還是遵從命令於當晚6時停止攻擊，於2月16日晨撤出戰鬥，圍殲砥平里之敵的戰鬥於是結束。
2月17日，志願軍首長根據整個朝鮮戰場敵我雙方的情況作出決定：東西兩線均轉入運動防禦作戰，不固守一城一地。由此，第四次戰役發生了重要的轉折：我軍由東線進攻西線防禦全面轉為運動防禦，敵人則全面轉為瘋狂進攻；也由此，第四次戰役劃分為兩個階段，即2月16日以前為第一階段，2月17日以後為第二階段。