一、參戰部隊序列
美軍：
第10軍的第１陸戰師，編制人數為2.5萬人, 參戰２４１２４人（3個陸戰步兵團、1個陸戰炮兵團以及直屬第1坦克營、第1工兵營等部隊，而師部部分人員、師直屬第1海岸營和第1水陸兩棲車運輸營以及一些後勤人員還留在興南港，）和第７師一部（即臨時拼湊的第31團支隊，共有3288人，包括編入美軍的韓國人515人），其餘部隊主要駐防元山、惠山、興南等地。
陸戰一師，指揮官是奧利弗·史密斯少將，所屬3個步兵團，是陸戰第1，5和7團，師屬炮兵是陸戰11團。
陸戰第1團 團長是劉易斯·普勒上校，1營長唐納德·施麥克中校，2營長艾倫·蘇特中校，3營長托馬斯·裡奇中校；
陸戰第5團 團長是雷蒙德·默裡中校， 1營營長約翰·史迪文斯中校，2營營長哈歐德·羅伊斯中校，3營長羅伯特·塔普雷特中校；
陸戰第7團團長是霍默·利茲伯格上校，1營營長雷蒙·戴維斯中校，2營長蘭德福·羅克伍德中校，3營長威廉·哈里斯中校；
<table><tbody>(滿員時，一個步兵團大約有3500人，一個步兵營大約有1000人。)
參加長津湖戰役的美7師部隊有：第31步兵團，團長是艾倫·麥克萊恩上校，所屬3個步兵營：32團1營長唐·卡洛斯·費斯中校，31團2營長威廉·萊迪中校和31團3營長威廉·萊利中校；第57野戰炮兵營和第31坦克連。
陸戰隊第一航空聯隊在整個戰役中為地面部隊提供空中火力支援，指揮官是費爾德·哈里斯少將。
志願軍：
九兵團司令員兼政委宋時輪，副司令員陶勇，參謀長覃健，政治部主任謝有法，副參謀長王彬，下轄三個軍，第20軍、第26軍和第27軍。
第20軍前身是新四軍第1師和第6師，是粟裕的起家老部隊，解放戰爭中整編為華野第一縱隊，以擅長野戰尤其是縱深穿插著稱。
軍長兼政委張翼翔，副軍長廖政國，所屬四個師：58師長兼政委黃朝天，59師長戴克林，60師長陳挺，89師餘光茂。
第26軍前身是由抗戰時期魯中軍區部隊整編而成的華野第八縱隊，在華野部隊中素以攻堅見長。
軍長張仁初，政委李耀文，所屬四個師：76師長高文然，77師長王建青，78師長陳忠梅，88師長吳大林。
第27軍前身是抗戰時期膠東軍區部隊整編而成的華野第九縱隊，在孟良崮、濟南、淮海、渡江等重大戰役中，屢建奇功。
軍長彭德清，政委劉浩天，所屬四個師：79師長肖鏡海，80師長詹大南，81師長孫端夫，94師長鄔蘭亭。
為了更好適應出國作戰需要，將第30軍88師、89師和第32軍94師分別調入九兵團所屬三個軍，使各軍均下轄四個師，並將在蘇南、上海等地招收的數百名青年學生和原國民黨軍第十六兵團董宋珩部約1.5萬人分別補入九兵團各軍，基本達到了每師一萬人，每軍五萬人的標準，全兵團共十二個師約16萬人。
二、血戰新興裡
11月26日，陸戰7團在柳潭裡附近地區的小規模戰鬥中俘虜了3名志願軍士兵，這3人供稱是屬於20軍60師的，還稱他們所在的部隊計劃將投入四個師同時攻擊柳潭裡、下碣隅裡、古土裡。美軍認為普通士兵根本不可能瞭解軍級單位的作戰計劃，絲毫沒有引起重視。
11月27日黃昏，九兵團按照預定部署開始了全面攻擊：20軍59師攻擊柳潭裡以南的德洞山口，切斷柳潭裡與下碣隅裡之間聯繫，並從南面攻擊柳潭裡，89師以一個團協同59師攻擊柳潭裡之敵，主力兩個團在柳潭裡以西展開，作為預備隊；27軍79師從北面攻擊柳潭裡；20軍58師從東南西三面攻擊下碣隅裡；60師從古土裡以北出擊，切斷古土裡與下碣隅裡道路，並從北面攻擊古土裡；27軍80師和81師一個團攻擊新興裡；81師主力兩個團則在赴戰湖地區展開，對該地區的美軍第7師31團一部進行警戒，並切實掩護軍的側翼。27軍第94師和26軍也開始從厚昌地區向長津湖開進。
在新興裡的美軍是第7步兵師所屬第31團支隊。11月間由於第7師部隊分佈很廣，無法按時集結執行第10軍的作戰計劃，便臨時編組了第31團支隊，由長津湖地區的第31團第3營、第31團第2營和第32團第1營等部隊組成，配屬第57野戰炮兵營及31團重迫擊炮連和坦克連，統歸第31團團長艾倫·麥克萊恩上校指揮，突出在長津湖東岸。第31團第1營沒有進入長津湖地區。
志願軍進攻新興裡時，美軍32團1營、31團3營和第57炮兵營卻根本沒有進入防禦狀態。美軍防線被輕鬆突破，不少美軍士兵殞命在睡袋裡。雖然美軍最終穩住了防線，但已陷入絕境。31團支隊苦戰2天2夜後，傷亡慘重，團長麥克萊恩上校被擊斃，部隊改由32團1營營長費斯中校指揮。12月1日，費斯決定突圍，31團支隊在突圍過程中崩潰，倖存人員分散逃亡。
新興裡之戰志願軍27軍80師和81師也付出了巨大代價，傷亡加上凍餓非戰鬥減員高達萬人。初次與美軍交手的241團的2營、3營在公路溝附近以密集隊形衝擊，結果遭到美軍猛烈火力攔阻，傷亡較大，七個連完全失去戰鬥力。志願軍的２３８、２３９兩團，也幾乎打光。
美軍資料顯示，突圍到達下碣隅裡（包括從後浦撤回的31團團部及坦克連325人）共約1600人，其中1150多名傷患由飛機後送。美軍在新興裡實際損失約1700人，約為半個團，與志願軍所稱殲滅美軍一個建制團（有資料稱為加強團）有一定距離。
31團團旗被繳，團長被擊斃，全團損失過半，是美軍戰史上罕見的。這也是朝鮮戰爭中，志願軍宣稱的惟一一次成建制地全殲美軍一個團的光輝戰例。但是必須看到，新興裡殲滅美31團支隊，存在很多特定因素。首先該團位置比較孤立，難以得到友鄰支援與策應。
其次，再看一下美陸軍第7步兵師，戰爭爆發時該師駐在日本，缺額約30%。朝鮮戰爭開始後，第7師仍留駐日本，但許多官兵被調到朝鮮戰場補充給其他部隊，全師約有1000名有實戰經驗的軍官和士官被調走，不足的人員就由從美國動員的後備兵員和韓國兵補入。其他美軍部隊也存在這樣情況，這也是為何前三次戰役志願軍能夠取勝的因素之一。第31團支隊的3000人中有515人是韓國兵，而且是由多個單位臨時拼湊而成。
12月底當31團餘部從興南登船撤回釜山後，第7步兵師隨即開始重建31團的工作，從其他團裡抽調一些軍官，再加上原31團傷愈歸隊的官兵，以及從美國本土調來的補充兵員，至1951年2月18日，31團重返戰場。——1952年10月，著名的上甘嶺戰役中第一批主攻的美軍部隊就是31團。
三、圍攻柳潭裡
至11月27日，美軍在柳潭裡的部隊共有陸戰5團三個營、陸戰7團兩個營又一個連，第11炮兵團的兩個營又兩個連。27日，美軍第1勤務營分遣隊到達柳潭裡開設了前進補給站，儲存了三日份的食品、燃料以及兩個基數的輕武器彈藥。隨後，第1勤務營分遣隊便將卸空的卡車帶上幾天來戰鬥中的傷員返回下碣隅裡，而為了能在次日送來更多的補給品，陸戰第5、第7團除了留下約四十多輛卡車外，其餘卡車都隨分遣隊返回下碣隅裡。就這樣，在柳潭裡的美軍不僅解除了傷員的負擔，還因為卡車的數量大大減少反而增加了靈活性。
從27日起西線聯合國軍遭到了志願軍的強大反擊，全線崩潰的跡象也有所顯露。但東線的美第10軍依然按照既定計劃要求陸戰1師發起攻擊，但是遭到了志願軍越來越頑強的抗擊。陸戰7團團長霍默·利茲伯格上校以職業軍人的直覺預感到了志願軍的大規模進攻即將開始，從下午15時起命令部隊停止進攻轉入防禦。利茲伯格將柳潭裡地區全部兵力的一大半10個步兵連環繞柳潭裡建立起環形防線，在柳潭裡東南地區開設炮兵陣地，由炮兵第1營營長哈威·菲漢中校統一指揮，炮口全部指向利茲伯格認為威脅最大的西方和西南方。
22時，在一陣密集炮火轟擊之後，志願軍的攻擊開始了——整整兩個主力師（儘管因為凍餓已經產生了一些減員）！根據九兵團的部署，擅長穿插的59師迂迴到柳潭裡以南，切斷柳潭裡美軍南逃的退路，以攻堅見長的79師則同時展開三個團從北向南攻擊柳潭裡。
當晚的戰鬥從一開始就相當激烈，79師取得了一些進展，但是也付出巨大代價，五個營傷亡殆盡失去戰鬥力。20軍59師進展最為顯著，攻佔新興裡（注：長津湖地區共有兩處叫新興裡的地方，一是在長津湖東面，即美7師31團支隊守備之地，另一處則在長津湖西南，柳潭裡與下碣隅裡之間，由陸戰1師守備，這裡為後者）至西興裡一線高地，完全控制了以死鷹嶺為中心的西興裡公路兩側高地，截斷了柳潭裡與下碣隅裡兩處美軍的聯繫。志願軍雖取得了合圍態勢，但沒能大量殲敵，大多與當面美軍形成對峙。
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