戰役過程
10月6日誌願軍突擊隊在潛伏一天後於晚6點發起進攻，由4個連進攻韓國第9師30團防守的白馬山391高地，另2個連佯攻法國步兵營防守的箭頭高地(281高地)。志願軍投入後繼部隊2個連，攻佔395高地。
10月7日誌願軍預備隊第342團投入戰鬥，韓軍第9師主力第28團(加強團)投入戰鬥，391高地反覆易手。美空軍出動了上百架次飛機對志願軍進攻部隊，後方補給線，後方炮兵陣地進行飽和轟炸。
10月8日誌願軍第38軍主力團第112師第334團投入戰鬥，下午攻佔白馬山頂。韓軍第30團兵員損傷過大，被迫撤出休整。志願軍342團接替334團防守白馬山後，受到敵空軍及數個重炮羣反反覆覆的覆蓋射擊，十分被動。韓軍第9師第29團投入戰鬥，夜間奪回395高地。
10月9日中國和韓國部隊在白馬山頂展開拉鋸戰。至此，儘管戰鬥剛剛進行了4天，雙方卻都投入了3個團的兵力，激烈程度大大超過志願軍的預期。志願軍38軍因擔負寬大防禦正面，加之戰前對戰鬥發展過於樂觀(340團主攻，342團預備)，未預留更多後備力量，此時兵力運用已呈捉襟見肘。
相反，韓國總統李承晚對此戰很重視，他一面直接督令韓9師在寺後洞設置收容線收容從白馬山潰散下來的敗兵，緊急編成反衝擊梯隊，另一面則從釜山、春川的編練師調集大量新兵，給韓9師隨打隨補，因損失過大撤下的韓軍部隊(第30團、第28團)經過戰場整補，增派軍官，很快又恢復了戰鬥力，再次投入戰鬥。
10月10日韓軍參戰的最後一個團級番號第51團投入戰鬥，配合第29團奪回395高地。
10月11日誌願軍參戰的最後一個團級番號第339團投入戰鬥，奪回395高地
10月12日韓國第30團經過補充兵員軍官，重新投入戰鬥，一度奪回395高地。志願軍第三次佯攻箭頭高地(281高地)，並重新攻佔395高地。
10月14日美第8集團軍在金化前線的上甘嶺地區以美軍第7師和韓軍第2師爲主，發起了“攤牌作戰”。中方稱“上甘嶺戰役”。
中國軍隊全線爭奪重點轉向上甘嶺地區，第38軍於14日夜停止了對395高地的爭奪，並至15日凌晨全部撤出白馬山地區已經攻佔的其他高地
10月15日韓國第9師報告志願軍部隊退出白馬山陣地。
戰役結果
在連續9天201個小時的爭奪中，韓軍第9師陸續投入4個步兵團(第28，29，30，51團)，包括補充師，總計一線兵力約18000人。志願軍第38軍相繼投入4個團(334，339，340，342)，總計一線兵力約15000人。
志願軍報告自身傷亡6700餘人。
韓軍戰後統計第9師3個團(28.29.30)共3422人死傷(505人死亡，2562人受傷，失蹤391人);造成志願軍的損失是8234人鑑定死亡、5097人推定死亡、1001人受傷、俘虜52人，總計造成志願軍死傷14332人。對比雙方參戰人數和俘虜人數比例，韓軍對志願軍傷亡明顯誇大，但是清理戰場是韓方進行，所以志願軍陣亡8000人以上爲韓方提供數據。
白馬山戰役韓9師及美國空軍造成中國軍隊傷亡6700餘人(韓國宣稱14322人)，38軍此役遭挫首開志願軍敗給韓國軍隊的記錄。韓軍方面也付出了傷亡4000餘人的代價(中國方面記錄此役韓國損失9400餘人)。作爲韓戰中對中國軍隊唯一的獲勝戰例，韓國軍方戰後一直大力宣傳白馬山戰役，韓國第9師同時贏得了“白馬師”的稱號。
志願軍承認38軍未能啃下韓軍“1個加強營的陣地”。但由於志願軍在隨後進行的更大規模的上甘嶺戰役(Battle of Triangle Hill)中獲得了標誌性的勝利，因此在戰後宣傳上中國方面一直有意忽略白馬山戰役，直到90年代初纔有參戰軍人通過回憶錄等形式承認這是一次“失利戰鬥”。然而此戰的失利，並沒有改變第38軍在中國軍隊中的“萬歲軍”地位。
白馬山戰役表明，經過2年多的戰爭鍛鍊以及美軍的訓練和整頓，韓國軍隊素質大爲提高。韓國軍隊依靠自身的力量，以及美國空軍炮兵的支援，以一個師的兵力對抗志願軍一個師兵力的全力進攻，在10天的戰鬥中白馬山24次易手而韓國軍隊不後退，終於守住了這個戰略要地。
韓國方面
韓方認爲在美軍空軍的支援下，韓國軍隊甚至可以做到在中國最精銳的部隊以數倍於其的兵力的人海戰術之下，依舊頑強抵抗直至志願軍在重大傷亡後不得不退出戰鬥爲止。據此，第9師戰後被稱爲“白馬部隊”，成爲韓軍的榮譽部隊，該師的徽章也從此改爲白馬圖案﹐該師參謀長朴正熙後來成爲大韓民國總統。
中國方面
中方認爲志願軍第38軍戰前作戰計劃泄漏，造成重大困難。志願軍在敵預有準備的火力優勢下，強攻穩固陣地，遭受了不必要的傷亡。儘管如此，主攻部隊仍造成韓軍重大傷亡，至戰役末期，志願軍依然佔領着除主峯以外的大部分陣地，最終迫於周邊韓軍和美軍重型炮兵等9個炮兵營的炮火支援，美軍1個坦克營的抵近火力支援，和美遠東空軍的空中支援，以及其後美軍第8集團軍新的作戰意圖(即“上甘嶺戰役”，美軍稱“攤牌行動”)而主動撤出戰鬥。志願軍認爲，韓軍此戰兵員損失甚衆，韓第9師依靠釜山、春川不斷補充新兵員才得以堅持到10月14日。據此，志願軍雖認識到韓軍戰鬥力有了很大提高，但並未徹底改變對韓軍的輕視態度。在志願軍戰史中，此戰的失利被隨後在上甘嶺戰役的勝利所遮蓋，並未得到過多關注。
此戰結束4個月後，志願軍38軍撤換到後方擔任預備隊直到1953年回國，此戰遂成爲38軍在朝鮮的最後一戰。韓9師撤下整補後於1953年參加了韓戰最後一戰-金城戰役，與志願軍第24軍爭奪金化地區的432.8高地失利，結束了在韓戰中的軍事行動。
