在李承晚第八师于横城地区被我军歼灭之后，为了继续扩大战果，志愿军东线集团首长邓华于2月13日上午即命令当时作为军预备队的我师356、357两团和120师之359团、125师之375团以及配属炮兵第42团计5个团的兵力，指定由我师师长徐国夫统一指挥，围歼砥平里急欲逃跑之李承晚约一、二个营的敌人。
我师首长无条件地执行了上级的命令，立即组织指挥部队于当日16时半发起攻击。不过由于参加战斗的几个团都是由不同单位临时配属合成，通信联络不畅，而炮兵第42团在按命令向砥平里行进途中因马匹受惊暴露了目标遭到敌机轰炸，损失严重，已无法投入战斗，375团在预定攻击时间之前也失去联系，因此，参加攻击的战斗部队只有356、357和359团，整个战斗是在完全没有炮火支援的情况下投入的，且投入十分仓促。
砥平里北靠凤山尾，东南亦有些小山，中间为起伏地，原州至汉城的铁路由此经过，并有两条公路分别通往南面的骊州和利川，交通比较方便。我们的作战意图是防止敌人逃跑，予以就地歼灭。我师首长分析：西面汉城被我军占领，北面是我军的主力防线及后方，东面横城之敌已基本被我军消灭，敌人不可能向西、向北、向东三个方向逃跑；惟有南面的骊州和利川为敌之纵深防御地带，砥平里之敌只能向南逃跑。所以，师首长命令357团向南攻占凤尾山，356团由东向南攻击，截断敌人南逃之路后再与357团南北夹击。
战斗开始时比较顺利，356团和359团先后攻占了砥平里东南部的几个高地，逐渐接近骊州公路，357团攻击方向虽然阻力较大，但进展也很快，已靠近凤尾山主峰。但到2月14日凌晨以后，部队越接近砥平里阻力越大，几乎每个高地都有敌人布防，虽并非永久坚固工事，但敌人的武器先进，杀伤力强，加之有炮火支援，我军的伤亡开始增多。阵地前沿和侦察科传回的情况都表明不是李承晚的部队，也不象似准备逃跑之敌。凌晨6时以后，敌人的飞机轮番向我方阵地投弹轰炸，敌人的炮兵和坦克也不间断地向我方阵地轰击，我们部队的伤亡越来越多。而且，这时我们的部队可以看到敌人修有许多工事，并且不时有敌人向工事地面浇水，使地面结冰，以防止我军攀登。那两天的天气也特别寒冷，雪下的也特别大，几乎雪深没膝。而敌人越来越狂，安稳不惊。参战指挥员都觉得越打越不对劲儿。
这时，356团抓到一个俘虏，经审讯得知：砥平里的敌军并不是李承晚的部队，而是一个法国营和一个美军坦克中队；李承晚第八师在横城地区被歼后，美军第二师师长担心在砥平里的法国唯一参加朝鲜战争的一个营被我军歼灭不好向国际上和他们的上司交代，因此急速将两天前从这里调走的美军第23团于13日又调了回来，同日晚，还增调一个炮兵营到砥平里来。实际上，砥平里之敌总数约达6000余人，且均为装备极其现代化的美军和法军，完全没有逃跑的迹象。同时，美军骑兵第一师和英军第27旅各一部也正向砥平里方向运动，随时准备支援砥平里之敌。敌人之所以胆敢在砥平里狭小的地区如此密集地集中那么多部队，安稳不惊，是因为看准了我军不但没有空军轰炸他们，而且也没有强大的炮火打击他们，主要靠的是步枪、机枪和手榴弹对付他们空中地面极其现代化的武器装备，而我军的实际情况也确是如此。敌人靠着来来往往不断的直升飞机运来充足的供应物资，运走伤员，而我军的粮弹供给日益困难，伤员得不到及时后运。敌人的企图很明显：利用砥平里他们早就占有的有利地形，固守砥平里，消耗我军战斗力，伺机夺回横城，然后再东西两线齐头并进向我军整个防线发起进攻，收复失去的“三八线”以南地区。
2月14日中午以后，敌人的炮火开始疯狂起来。我方阵地不断遭敌猛烈炮击，同时，上空不断有被我们的战士称为“红头苍蝇”、“吊死鬼”和“大黄马蜂”的三种飞机成群的轮番轰炸扫射。我们的伤亡越来越多。这时，由于通讯联络不畅，师首长与参战各团的联系时而中断，不能及时了解战况和下达命令，而且与东线集团首长邓华指挥部也常常失去联系，无法及时报告战情和请求指示。在此情况下，师首长只好果断作出决定并立即派人命令各团：不要被动隐蔽，分小股出击，尽可能接近敌人地面部队；将敌人的坦克放得近一些，适时炸毁几辆，但不要强攻；用手中武器打击敌人低空盘旋的飞机特别是敌人的侦察机。半个多小时以后，我各团阵地出现了对空射击，357团、359团各击落敌“吊死鬼”飞机1架，356团击伤敌“红头苍蝇”飞机1架。同时部队开始向敌防线推进，至天黑前已接近敌外围防线，将全部敌人压制在两平方公里的地域之内。战斗打得异常惨烈。我们师的机关虽然不在第一线，但距离第一线并不远，战斗惨烈的情况完全可以凭直觉感受得到。14日夜至15日上午，由于敌人凭借工事顽强抵抗，致使我方的攻击进展不大。此时我方三个团的伤亡人数已达900多人。
2月15日下午2时，师首长接到东线集团首长邓华指挥部的命令，要求部队撤出战斗，不要再行强攻。邓华首长从全局考虑，要全歼砥平里之敌难度极大，缺乏胜利的把握，而且我军粮弹接济极其困难，硬要坚持可能弹尽粮绝，这几天来部队基本上是以一把炒面一把雪来充饥，且伤亡极大，所以作此决策。但许多参战指战员仍然求胜心切，对此命令想不通，表示做出再大牺牲也要争取全歼砥平里之敌的胜利。不过，部队还是遵从命令于当晚6时停止攻击，于2月16日晨撤出战斗，围歼砥平里之敌的战斗于是结束。
2月17日，志愿军首长根据整个朝鲜战场敌我双方的情况作出决定：东西两线均转入运动防御作战，不固守一城一地。由此，第四次战役发生了重要的转折：我军由东线进攻西线防御全面转为运动防御，敌人则全面转为疯狂进攻；也由此，第四次战役划分为两个阶段，即2月16日以前为第一阶段，2月17日以后为第二阶段。