班长倒下了，赵旺在枪林弹雨中，继续坚守着阵地，直至第二天。赵旺以一人之力，与美军周旋，始终没有丢失阵地。
第116师在师长汪洋、政治委员石瑛指挥下，对注岩里的美军展开了攻击。汪洋命令：第346团打迂回，从左翼拖到注岩里西侧，切断砥平里之敌的退路。第347团打正面，直接向注岩里的敌人发起攻击。第348团担任监视原州敌人动向的任务。
团长李刚指挥着第347团向注岩里的敌人猛攻。部队很快把美军第2师一个搜索连和一个步兵连切割成了好多个小块，双方展开了激战。打了两个多小时，敌人才被歼灭。
志愿军的猛烈攻势令驻守砥平里之敌心惊胆战，唯恐南朝鲜第8师在横城覆没的惨剧在他们身上重演。美第10军军长向李奇微建议下令美第23团等部后撤，美第23团团长也有些焦急地表达了相同的看法。
李奇微理解他们的心情，但他不认为撤退是目前唯一的选择。
在作战会议上，李奇微向在座的美军和南朝鲜军队各军头目说，从目前的实战可以看出，中共军队野战攻坚还可以，但缺乏攻打坚固防御阵地的经验和装备。砥平里的防御攻势还是比较过硬的，加上我们的空中支援，第23团支撑几个星期也没问题。如果因为害怕中共军队而放弃砥平里，让共军轻而易举获得一个胜利，无论在美国国内和盟国之间都说不过去。丢脸是小事，更致命的是第9军的右翼将会完全袒露在中共军队面前。如果中共军队趁势对第9军来个分割包围、各个击破，那么“围歼行动”将彻底失败，收不到任何实质性的效果。整个“联合国军”防线也将为之崩溃。所以，中共军队这么重视攻占砥平里，投入了这么多兵力，铁了心要拿下，这也反证了砥平里对于美军的重要性。在美军的防线上，砥平里已经成了一个孤零零的要点，但是它却具有重要的战略价值。只要志愿军突破了这个要点，就可以直插美军的纵深。因此，“联合国军”无论如何要确保砥平里。
李奇微命令美第23团继续坚守砥平里，吸引中共军队主力来攻。同时，他命令美第2师第38团直接从文幕里出发增援砥平里，南朝鲜第6师和英第27旅向砥平里和文幕里一线移动。美骑兵第1师第5、第8团进至梨浦里，南朝鲜第6师进至骊州、利川之间，英第27旅进至骊州、文幕里之间。
志愿军进攻部队和砥平里的美军打得格外激烈。虽然战士们奋勇冲锋，但敌人的火力也特别的强，鏖战数个小时也难有大的突破。砥平里的敌人像生了根似的，不仅防御顽强，而且丝毫没有混乱逃跑的迹象。
邓华起初判断砥平里之敌只有5个营，所以投入了6个团约1万余人，另配属3个炮兵连支援步兵冲锋。不料，仗越打越紧。他决定进一步调集兵力，加强对砥平里的攻势。他命令第39军第115师2个团立即投入战斗。
但前进依然不顺利。美军将砥平里作为向北突击或者向南撤退的一个坚固要点来建设，构筑了地堡盖沟、交通壕、铁丝网和地雷等相连而成的环形防御阵地。这个防御阵地以村庄为圆心，设置了内围和外围两道防御线。主要兵力及火器均配置在外围防御线，仅2个连的兵力配置在内围防御线。
形势越来越严峻，美军不但没有放弃砥平里的打算，而且还想以此为诱饵，寻找志愿军主力决战。
邓华认识到，为了防止美军增援部队形成对围攻砥平里志愿军部队的反包围，必须在最短时间内歼灭砥平里之敌。他重新调整了作战部署，命令第119师全部、第126师1个团和第115师2个团共6个团继续攻打砥平里；第39军第116师主力迅速向西占领曲水里，坚决割断梨浦里之敌与砥平里之敌间的接触，另抽出1个团留在注岩里阻击由骊州出发的美军援敌；第42军第126师在曲水里地区抢占要点，打击由梨浦里增援的美军。
在一遍又一遍的划破天际的冲锋号声中，担负正面攻坚任务的志愿军第119师全部、第126师1个团和第115师2个团的官兵，拼了命的向砥平里之敌发动一次又一次的冲锋。第119师在砥平里北面的凤尾山撕开了个角，敢死队员们冲了上去，迅速将缺口扩大，一举占领了凤尾山要点。第115师一部官兵曾一度攻进砥平里村庄里。可是，村庄里地势平坦，街道狭窄，志愿军的战术优势发挥不出来。虽然美军第23团在我军攻击下损失巨大，团长被我军击伤，但是战场形势没有发生根本的改变。
15日中午，第39军向邓华报告最新战况：“从俘虏口中得知，砥平里的敌人大概有3～5个营，总人数在五六千人左右。据守的敌人分别是美军第2师第23团全部、第9团1个营、法军1个营。敌人在凤尾山和229高地重点设防，构成了密集火力。因为攻击地区比较狭窄，不利于部队展开，很难集中兵力打歼灭战。”
邓华又了解了其他各军的情况后，紧急发电给彭德怀，报告砥平里战斗的情况。
邓华表示：“如果决心打下去，那么就再用3～4天的时间，坚决顶住敌人的增援，最终彻底歼灭敌人。如果不打，那么就把我军主力撤到横城以北，寻找机会在运动中歼灭敌人。”
砥平里之战始终紧紧牵动着彭德怀的神经。经过深入细致的战场形势分析，他认为如果继续组织力量攻击砥平里的美军，即使能够攻克，就整个态势来说，也已慢了一步，不足以各个击破敌人、造成战役的有利形势。
彭德怀思虑再三，果断决定停止继续攻打砥平里。17时30分，彭德怀发布命令，各进攻部队停止进攻砥平里，有序撤出战斗，向龙头里（砥平里北）至横城一线及北至洪川东西一线以南地区转移集结。
邓华迅速向各军传达了彭德怀的命令，要求各军停止进攻，撤出战斗，梯次向北转移，同时加强相互掩护，防止美军的乘机反扑。
在转移途中，重炮团丢了16门重炮。
砥平里战斗的失利，令志愿军上上下下心情都很沉重。
这次战斗之所以失利，情报失误、协同不周和战术不当是3个很重要的原因。
情报失误是一个关键原因。砥平里的美军本是块“硬骨头”，有6000多人和四五十辆坦克和榴弹炮，据守着坚固防御阵地。可是由于情报判断的失误，却被当成了“软骨头”，误认为只有1000多人，工事很简单。这样就造成在兵力使用上的不当，初次攻击兵力和火力并未对敌人形成绝对优势，难以在短时间内歼灭敌人。
协同不周是另一个重要原因。由于横城反击战打得比较顺手，各部队产生了一些轻敌思想，对砥平里的攻击准备并不是很充分。参战的4个师由于分属3个军的领导，相互之间不是很熟悉，指挥联络不够畅通，行动起来有先有后，投入战斗时间不一致，作战协同不够好，这样就没有形成打击敌人的合力。
战术使用不当是又一个重要原因。以前，志愿军碰到的都是野战防御之敌，攻打砥平里这种坚守防御之敌还是第一次，用原来的野战方法很难奏效。
此外，还有一些其他原因，如部队连续作战、比较疲惫，枪弹物资缺乏、得不到及时补充，等等。各部队都认真吸取了这些沉痛的教训，决心打好以后的战斗。
从此，志愿军指战员逐步认识到攻击美军据点，必须做好3个方面的工作，即集中绝对优势兵力，而不能平均分散兵力；步兵紧紧依靠强大炮兵的协同，而不能单枪匹马战斗；事先必须准确了解敌人阵地情况，不冒失，不打莽撞仗。
在夜幕的掩盖中，攻打砥平里的志愿军部队依次有序地撤出了战斗。
砥平里外围的志愿军已经撤走了。听到这个消息，李奇微心头的一块石头也落了地。
这是美军第一次成功的防御，在美军官兵中引起的反响比较大。美军声称：“第2师在砥平里的英勇坚守后来证明是挡住共产党进攻的转折点。”南朝鲜军队则认为：“砥平里战斗是美军同中共军队作战中在战术上取得的第一个成功战例，鼓舞了全军的信心和希望，解除了美军决策当局对战局发展所抱有的忧虑。这次胜利的意义可与英国第8军在阿拉曼取得的胜利相比拟，也可以说是‘第二仁川’。”
李奇微意识到：志愿军的神秘感正逐步消失，缺点和不足正一步步暴露在美军的面前。砥平里一战充分暴露了志愿军火力和攻坚能力的不足。他告诉各军军长，往后再碰到志愿军部队的攻击时，不要急于撤退逃跑，而要坚守据点，志愿军暂时是攻不下来的。
16年后，李奇微仍然沾沾自喜地回忆说：
1月31日～2月18日这个阶段，美第2师在作战中继承了它在两次世界大战中的优良传统。在这3个星期中，打了许多硬仗，但是，哪一次也不如保尔·弗里曼上校（现晋升为将军）指挥的第23团战斗队（配属有勇敢的蒙克拉尔指挥的法国营）打得巧妙、英勇和顽强。在中共部队发动第四阶段攻势的整个过程中，第23团战斗队一直在原州西北大约20英里（编者注：1英里=1.61公里）处的双洞、砥平里地区作战。
中共的5个师包围了这支部队，连续发起了攻击，以图突破防御圈并消灭这支部队。第23团战斗队粉碎了敌军的全部进攻，使敌军遭到极其重大的损失。据报告，倒在第23团战斗队阵地前的敌人尸体达2000具之多。在第1骑兵师的一支装甲特遣部队夺路进入防御圈、中共部队突然中止全部进攻行动之后，我立即乘直升飞机抵第23团战斗队的阵地，看到了数百具尚未掩埋的敌军尸体。
尽管仗打得非常激烈，而且敌人的决心显然也很大，但是，我对这一仗必定打胜是毫不怀疑的。无论是在地面上同前沿分队待在一起，还是在他们的上方飞行以更全面地观察情况，都使我深信，他们肯定能够坚持得住。
彭德怀后来回忆说：“我军经过出击，取得了胜利。但这个胜利不够大。砥平里之战虽然未能实现目标，但即便实现了，美军也不会后退。因为客观形势在那摆着，我军力量没有占据绝对优势，而美军又建立了比较大的纵深。”
9、彭德怀回国向毛主席求援
砥平里战斗最激烈的2月16日，彭德怀致电毛泽东：
我拟乘此间隙，遵照前电利用月夜回中央一次，面报各项。如同意我拟21日晨到安东。为争取时间，请聂总备专机在安东等我，以便当日即可到京，如何盼复。
在部队处在最危急的时候，作为主帅的彭德怀回京，足见此刻已迫切需要让中央了解到朝鲜战场上最真实的情况。
毛泽东回电同意彭德怀回京。
彭德怀简单交代了一下工作，于20日匆忙上路了。他带着参谋和警卫员，乘吉普车，沿着弹坑累累的公路向北疾驶。21日晨进入中国国境，到达安东，在那里直接上飞机。
飞机降落沈阳加油的时候已是中午，前来迎接他的军政首长请他到休息室休息和吃饭，彭德怀眉头紧锁、心情恶劣：“我不吃饭也不休息！你们别管我！”他就站在飞机上等，飞机加完油后，立即飞向北京。
下午13时，飞机降落在北京西郊机场，彭德怀立即让司机开往中南海。当得知毛泽东不在中南海而在西郊玉泉山的静明园时，他又立即往那里赶。到了静明园，因为毛泽东在睡午觉，秘书和警卫人员不让他进去。谁都知道毛泽东的习惯是夜间工作，天亮时才休息，而且入睡艰难，他的午觉一睡了，没有人敢打扰。秘书要为彭德怀准备饭，彭德怀大吼一声：“我有急事向毛主席汇报！”不由分说，推门而进。
毛泽东没有恼怒，边穿衣服边说，“只有你彭老总才会在人家睡觉的时候闯进来提意见！”
听说彭德怀一路一顿饭也没吃，毛泽东表示彭老总不吃饭，他就不听汇报。
彭德怀只好到食堂匆匆扒了几口饭，赶忙返回毛泽东住处。
看见彭德怀明显地消瘦了，眼睛布满了血丝，毛泽东关切地问候了他。彭德怀说：我今年53岁了，身体没有什么毛病，就是睡觉太少了。
彭德怀向毛泽东作了详细汇报，说明战争不能速胜。他说：“我军现在是出国作战，与在国内作战有突出的不同之处：一是兵员补充不能取之于敌。抓到的敌人俘虏不能补充自己，也不能就地动员朝鲜青年参加志愿军。现在志愿军伤亡很大，得不到及时的补充，战斗力已越来越削弱。二是敌机轰炸，道路、车辆毁坏严重，物资得不到及时补充。即使缴获敌人的装备，因缺乏技术人员，不能使用，几乎全部被敌机炸毁。三是部队越过三八线作战，正是严冬季节，朝鲜东西两面都是海，寒风袭人。战士衣服单薄，有的连鞋袜都没有，大量生病和冻伤。四是几十万志愿军得不到充足的粮食供给，更得不到新鲜的蔬菜，指战员靠的是一把炒面、一把雪坚持作战，营养不良，体力下降，许多人得夜盲症，严重影响作战行动。我们现在一无空军掩护，二无足够的高射火炮，运输车辆大部分被中途炸毁。第一次和第二次战役，一个多月共损失汽车780多辆，真正能够送到前方的物资粮食为数很少。我们如不能有效地保障后方的交通运输，是无法坚持长期作战的。”
毛泽东听后沉思了一会说：“中央对志愿军在朝鲜前线的困难处境很关心，根据现在的情况看，朝鲜战争能速胜则速胜，不能速胜则缓胜，不要急于求成。”
他一边打着手势，一边强调下一步的战略方针：
“第一、从目前朝鲜战场最近进行的战役中可以看出，敌人不被大部消灭，是不会退出朝鲜的，而要大部消灭这些敌人，则需要时间。因此，朝鲜战争有长期化的可能，至少我应作两年的准备。目前敌人的作战意图是企图与我进行消耗战。在过去一个月当中，敌人当占住阵地之后，经过调整补充，便寻找机会向我作试探性进攻，其目的在一方面不容许我在前线作必要的休补，另一方面则利用其技术条件消耗我军。同时，敌人对朝沿海的袭扰，运输线的不间断的轰炸，均甚为积极。我军补充物资只有60%至70%能达前线，有30%至40%在途中被炸毁。在目前一个半月内因我新军未到，老军未补充，敌人有重新进出三八线南北地区的可能。