激战整整一夜，南朝鲜伪8师在志愿军层层包围下死伤惨重。美军出动飞机掩护南朝鲜军溃兵及美第二师撤退，等待联合国军的是来自志愿军39军117师战士们的火力全开。
第39军117师在配属第42军作战时，负责执行战役穿插迂回任务。
在接到任务后，该师接连遭遇了一系列意外：首先，在向龙头里行进的过程中，遭遇敌机突然袭击，副师长受伤，师政治部主任牺牲；随后，在向敌人纵深地带穿插时，由于天黑路滑、山路陡峭狭窄，前卫团在风雪交加的恶劣天气里迷失了方向。
事故发生后，师长张竭诚沉着应对，各级指挥员果断决策，带领部队翻越高山，从冰雪覆盖的陡坡滑滚而下，硬是在规定时间内抵达指定地点，成功抢占了鹤谷里与夏日之间公路两侧的战略要点，切断了韩军伪8师南撤与横城敌军北援的通路。
当天8时，韩军伪8师的两个团在美军部队和航空兵的掩护下，试图从夏日地区突围，却被第117师拦截在阵地前。一群一群如潮水般的美韩联军在空军的掩护下艰难撤退，殊不知117师已构筑工事等候多时。随后，一场围绕新村、上下加云至大谷地段的激烈突围与反突围战斗随即爆发。
两军照面，火力全开。美韩联军面对117师，在做着最后的垂死挣扎，疯狂且不要命的向117师阵地发动死亡冲锋，10余架美军飞机一波又一波的不间断的对117师鹤谷里、夏日一带阵地狂轰滥炸，阵地都被削平了。
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10时30分，横城的敌军派出两个营，在坦克、炮兵和飞机的支援下向北突进，企图解围，结果被第117师成功击溃。当日傍晚，在张竭诚的指挥下，第117师对被压缩在狭长道路上的美韩军残余部队发动了最后一轮攻击。连续三个小时的激烈战斗。
在战斗进入最后阶段时，师指挥所和警卫分队也加入了围歼逃敌的行动，甚至连师报社的女编辑都亲手抓获了一名俘虏。这场战斗中，第117师的实际兵力仅为7000人，但俘虏敌军超过3000人。
横城一战，志愿军39军117师共歼敌850人，俘虏3000余人（俘虏美军800人），缴获汽车坦克200余辆，火炮100余门，连创三大记录。一次战斗俘虏美军最多；一个师缴获最多，歼敌最多。
中朝联司通电表彰：在此次战役中，你师成功切断了敌人从横城以北撤退的通道，俘获敌军3000余人，有力阻止了敌军北援，发挥了关键作用。这种战斗风范值得高度赞扬。
战后，张竭诚晋升为第39军副军长兼参谋长。
相比之下，第66军的行动并不算顺利。
彭德怀在战前曾强调，第66军能否按照邓华的指示完成任务，是战斗取得胜利的关键之一。在攻击发起前，邓华多次批评第66军动作缓慢，并严格要求其在规定时限内行动。然而，由于该军进攻迟缓，未能在规定时间内对敌军进行有效打击。
根据邓指的指示，攻击的发起时间定在2月11日17时。
第40军和第42军均按计划准时出击，并迅速突破敌军防线。第40军118师在广田取得控制，第42军124师则成功占领石子洞，内层切断任务在短短6小时内完成；与此同时，第40军117师攻占了鹤谷里，外层切断任务也在12小时内完成。到12日早晨，第40军和第42军已经成功割裂了敌军的阵势。
相比之下，第66军的动作明显滞后，直到10日18时才完成战术部署。第66军196师在10日凌晨5点抵达坐云里、跃马岱一带，距离展开地域仅有10至15公里。若当晚组织开进，仅需4个小时便可到达目的地，然而直到11日凌晨5点才到达，耽误了7个小时。
第66军198师于7日进驻上高岱和五音山一带，直到11日午夜24时才从五音山等地展开攻势，比邓指原定的时间延迟了6个半小时。
在兵力运用和战斗部署上，第66军存在一些问题。根据邓指的要求，第66军应以一个师的兵力攻击并歼灭上茶峰里、雉洞、草塘地区的敌军，主力则应从弓川里、介田里迂回至横城东南，首先占领德高山和曲桥里，切断敌人的退路，然后再对横城发起攻击。然而，该军却分出一部分兵力向碧鹤山及上下加云方向进攻，这与邓指的计划不符，偏离了主攻方向。
担任侧后迂回切断任务的两个师，其进攻路线违背了战术原则：右翼的第196师从西北向东南推进，左翼的第197师则从东北向西南前进。这两条路线相互交叉，不仅导致混乱，还浪费了宝贵的时间。
各团之间也存在类似现象，导致作战时往往不得不越过友邻的战斗队形，从而带来不必要的困难。直到13日凌晨4时，第196师才全部抵达曲桥里，比邓指的要求晚了将近一天。同时，第42军第125师负责外层迂回的任务，但阻截行动不够及时，结果导致横城美军第2师的一部分、韩军伪8师师部以及韩军伪3师的大部分部队得以逃脱。
根据战史资料记载，横城反击战中各部队的歼敌情况如下：第66军歼敌5501人，第40军歼敌4079人，第39军第117师歼敌3334人，第42军歼敌2506人。
根据这项统计，第66军的战绩在各军中名列前茅。
虽然这个统计包括了第66军在五音山地区，发起横城反击作战前的防御作战歼敌数，但客观而言，第66军在横城反击作战中仍然取得了重要战果。如果没有上述问题出现，其胜利必然会更加显着。
在志愿军于横城以北发起反击后，人民军金雄集团也在横城东北方向展开攻势。至13日，他们已推进至横城东南的乌原里、下安兴里一带，并消灭了韩军伪3师和伪5师的部分部队，有效配合了对邓集团的作战行动。
至13日清晨，横城反击战告一段落。
据志愿军统计，在反击中，全歼了韩军伪8师的3个团、美军第2师的一个营，以及美韩联军的四个炮兵营，另歼灭了韩军伪3、伪5师的部分部队，总计约1.2万人。战斗中缴获各类火炮（包括60毫米迫击炮）139门、火箭筒122具、各式枪支6200支、坦克7辆和汽车550辆。此外，志愿军还俘虏了南朝鲜兵7100人、美军500人。这场战斗成为抗美援朝战争中俘获南朝鲜军人数最多的一次。
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志愿军方面损失了21门各类炮和1232支各型枪支，作战中减员达4141人。敌我伤亡（包括失踪和被俘）比例为3.72:1。
横城反击战是志愿军在第三次战役结束后，首次发起并取得胜利的攻势作战。
李奇微在回忆横城之战时，对南朝鲜人严厉斥责：我们被迫再次放弃一些地区，美军第2师在中共军队的进攻下，再次首当其冲，遭受了重大损失，尤其是火炮的损失尤为惨重。这些损失主要源于韩伪8师的仓促撤退。
伪8师在敌军一次进攻下全面崩溃，导致美军第2师的侧翼完全暴露。韩军在中国军队的打击下损失惨重，往往对志愿军心生极大畏惧，几乎将他们视为天兵天将。因此，韩国军队在很长一段时间里失去了信心，而那些脚穿胶底鞋的中共士兵突然出现在韩军阵地上，总是吓得许多韩军士兵丢盔弃甲，仓皇逃命。
根据美军的战史记载，在横城之战中，韩军伪8师除了少部分部队外，“大多数被包围于山区，最终被全歼或俘虏”。13日，该师有263名军官和约3000名士兵成功突围，被美军收容，其中有一半是后勤人员。
全师的战斗损失共计323名军官、7142名士兵，以及几乎所有的武器装备。加上其他美韩军队的伤亡情况，此次战役“联合国军”的总伤亡人数为韩军9844人，美军及其他“联合国军”部队（主要是荷兰营）损失2018人。
这一数字与志愿军方面的统计大体相符。
在所有损失中，令李奇微最为恼火的当属武器装备的损失。
根据美军的统计，韩军损失的武器装备包括14门105毫米榴弹炮、901件班用其他枪械、390部无线电发报装置和88辆汽车；而美军的损失则为14门105毫米榴弹炮、6门155毫米榴弹炮、277件班用其他武器、195部无线电收发装置、6辆坦克和280辆汽车。
李奇微将此次损失归咎于部队“领导力的薄弱”，并下令展开调查，追究指挥官的责任。然而，随后调查结果却排除了美军指挥官的责任，认为主要责任在韩军，特别是韩军伪8师在毫无预警的情况下“突然且彻底溃败”，导致美军侧翼暴露，使得志愿军得以从后方渗透并切断了美军的撤退路线。
在各方都认可的情况下，邓华晚年却懊悔不已，将这一判断定为自己一生中的决策失误之一：“要是执行韩先楚的建议先打砥平里就好了。横城战役虽然歼敌数量很多，但是容易，打得不是要命的位置，砥平里虽然小，虽然难打，但打的是七寸，打的是要害。”
横城一役，是志愿军打的一个非常漂亮的反击战，但是也给了美军充足的准备时间。