状况不断的砥平里
砥平里前沿阵地的美军撤走并非要南逃，而是收缩防线加强核心阵地的防御。驻守砥平里的美军第23团团长弗雷曼确实想撤，因为他的位置太突出，几乎百分百会成为下一个攻击目标。但是美第八集团军司令李奇微要求坚守，因为这是他展开反攻的核心要点，他告诉弗雷曼会用一切力量增援他。
最关键的错误是，驻守这里的可不是一两个营，而是包括美第2师23团、1个法国营、1个105mm榴弹炮营、1个坦克中队、1个155mm榴弹炮兵连、1个高射炮连在内的6000余人。他们拥有14辆谢尔曼中型坦克，6辆M16四管高射机枪，4辆M19双管高炮，18门105mm榴弹炮，6门155mm榴弹炮；51门迫击炮。自2月3日占领砥平里以后，构筑了环形防御阵地，纵深有各种炮火掩护，把坦克排到第一线做移动炮台，可谓铜墙铁壁。
2月12日，邓华组织各师师长召开了一次会议，决定由119师师长徐国夫统一指挥，以该师两个团为主力，配属120师359团、125师375团、第40军炮兵团攻打砥平里。从兵力上看，5个团打美军一两个营应该不成问题，但徐国夫提出建议：他尚未亲自看过砥平里地形不了解情况，参加战斗的部队来自不同的师联系也不方便，是否可以推迟。但遭到斥责：“让敌人跑掉，你徐国夫负得起这个责任吗？”徐国夫只好领命。
经过三次大的战役，志愿军各部减员都很严重，据徐国夫回忆，当时他的部队每个连最多七八十人，每个团也就六七百人，其它各部也大致相似。就在13日下午准备发起进攻时，发生了两件意外的事情。炮兵42团由于马匹受惊暴露，遭到美军轰炸损失严重，无法参加战斗。125师375团失去联络。此时徐国夫手上只有3个团2300多人，且没有炮兵掩护。他将此情况往上报，可能因为通讯问题，迟迟未得到回复，最终只能硬着头皮发起进攻。
可能年代久远徐国夫记忆出现偏差，或者邓华未向他交代清楚，当时攻打砥平里的部队并非仅有徐国夫手里的3个团，邓华指挥部直接遥控的还有另外两个师的部队。根据官方战史《抗美援朝战争史》记载，当晚参与进攻的有6个团，其中3个炮兵连，不过每门炮只有二三十发炮弹。当时的部署情况，376团占据西北的345高地，377团占据南面的397高地，356团占据东南的319高地，359团占据东面的506高地，357团是沿着公路进攻，对砥平里形成了合围。
砥平里失利
由于美军有制空权和炮火优势，进攻只能在晚上发起。第一天晚上，各团的进攻状况几乎相同，在即将要占领敌军阵地的时候，美军利用其坦克和强大的炮火优势将志愿军击溃。美军的155mm重榴弹炮，一发炮弹打出去足以对半个篮球场宽的人员产生威胁，其1辆M19双管高炮在1个半小时内发射了580发，2辆4管M16高射机枪发射了2200发。
第一晚的进攻收效甚微。志愿军屡次冲锋未果，损失较大，357团3营7连连长和指导员均阵亡。天亮后，359团3营奉命坚守阵地，遭到美军的反击几乎全军覆没。
14日，邓华调整了部署，以119师全部、126师1个团和115师2个团共6个团于当晚继续进攻砥平里。以116师1个团到注岩里阻击敌人增援，126师主力进至曲水里阻敌增援。116师347团在注岩里附近击溃了美军2个连，其残部南逃后又遭遇346团堵截，基本被歼灭。当天准备增援砥平里的英27旅4个营和1个炮团也遭到116师强力阻击，无法前进。美军最后只能下令骑兵第1师5团，自24A公路增援。
当天晚上进攻仍然非常困难，各团反复冲锋损失较大。但新加入的115师毕竟是王牌部队，当晚该师343团从南面攻破美军G连的防守阵地，美军的铜墙铁壁被打开了一个缺口。志愿军本来可以利用这个缺口扩大攻击，直捣美军指挥所，一举拿下砥平里。不过遗憾的是，不知是否未意识到已经打开敌人缺口，343团攻下阵地以后并没有继续进攻。而由于通讯问题，指挥部对前方的情况也未详细掌握，并没有调兵加强此处的进攻。就这样，志愿军错失了拿下砥平里的最佳机会。
当天晚上，志愿军在原州的进攻也遭受挫折，美军当天恢复了全部阵地，志愿军因力量单薄无力再发起进攻，只能脱离战斗。原本支援原州作战的100多架飞机，飞到了砥平里上空，对志愿军的阵地狂轰乱炸，美军回忆当时的情况“在那狭小的天空，真担心飞机会相互碰撞。”志愿军最终只能放弃部分阵地，脱离接触。这时115师才从抓获的俘虏口中得知，防守砥平里的美军有6000多人，而且要不惜一切代价坚守。
15日白天，前来增援的美骑兵第5团，利用20多辆坦克强行冲破了志愿军的阻击线，进入砥平里，另一路增援的英27旅也加强了进攻。一切似乎都在朝着对志愿军不利的方向发展。以当时的形势，志愿军司令部判断，即便继续投入兵力攻克砥平里也无法再向南发展，失去了战术意义。除非能歼灭相当数量的敌军，否则攻下也未必能守住，但能大量歼敌的可能性非常小。志愿军司令部决定放弃对砥平里的进攻。
战后总结
砥平里之战，根据官方相关资料统计，40军3个团伤亡1830人，115师2个团伤亡879人，42军伤亡600余人，共计3300余人。而根据美方资料统计，其伤亡总数为909人。很显然，不论是从战术目的还是人员伤亡数量，志愿军这一仗是败了。但正如徐国夫所说，在其漫长的戎马生涯中，这样的败仗也不是一两次，似乎也没有什么特别值得一提的地方。但对于美军来说，不了解历史的人很难相信，这是朝鲜战争中他们第一次真正意义上的胜仗，也许对其意义非凡。
分析这次失败的原因：一是情报失误，导致存在轻敌思想，没有充分准备便展开进攻；二是调动的部队番号太多，彼此之前又缺乏横向联系，各打各的，没有配合好；三是战术不当，在以往的运动战当中，往往以部分兵力迂回到敌人后方，敌人就会撤退。但此次是攻坚战，敌人准备死守，且构筑了坚固的防御阵线，志愿军久攻不下，反遭失利。其实最根本的原因还是在于，限于客观条件志愿军的攻击能力达到了极限，而美军恰好承受住了这个极值。
砥平里之战获胜，美军真的很强大吗？美军强大是正常的，毕竟他是世界头号强国，但是他的强大只是凭借自身的装备优势，并没有强大到不可战胜的地步。志愿军无数份总结中都提到，美军的步兵其实很弱，只要战术运用得到，完全可以打败他们。
砥平里之战失败，志愿军很弱吗？与其说志愿军败给了美军，不如说败给了自己。由于战线过长，以及美军的轰炸，后勤物资始终无法正常供应。志愿军常常在缺粮少弹的情况发起进攻，如果进展顺利，便如风卷残云之势将敌人击溃。一旦某些环节出现纰漏，则会引起连锁反应，导致战局不利。志愿军不畏牺牲和吃苦耐劳的精神，连对手都深深折服，是当之无愧的轻步兵之王。
通过这次战役的失败，志愿军也清楚地意识到，抗美援朝战争无法速胜，只能通过持久战击败美军。在朝鲜半岛狭长的地域里，志愿军无法展开，发挥不出兵力优势。而美军退到38线以后，也有足够的兵力驻守要点，没有给志愿军各个击破的机会。战争进入对峙阶段。