如果要建立砥平里环形防御阵地，最好的选择应该是利用盼美山、506高地、望美山、248高地、葛芝山这些比较高的外围山峰进行防御，就如同美陆战队在长津湖边建立的柳潭里环形防御阵地。但是，当时守柳潭里的部队是两个团，弗里曼手里只有一个团，能够调用的部队具体为：美23团1、2、3营、法国营、美第1游骑兵连、美炮兵37团（105榴弹炮）、美炮兵503团B连（155榴弹炮）、美82自动高射武器营B连、美工兵2营B连，共计约5000人。这样少的兵力如果想要构成密不透风的环形防御阵地，就只能放弃外围高地，收缩到砥平里镇近旁。弗里曼命部队在望美山北坡、砥平里镇西侧的水田（248高地东坡下）、盼美山南侧的凤尾山、东山构筑阵地。2月13日，砥平里环形阵地各部具体部署如下（从正北起，顺时针方向）——
美23团1营——
砥平里北侧、24号公路两侧：美23团1营C连
凤尾山：美23团1营A连
美23团3营——
无名高地：美23团3营L连
东山：美23团3营I连
东山东南坡：美23团3营K连
美23团2营——
砥平里东南侧、京原线两侧：美23团2营E连
砥平里东南侧：美23团2营F连
砥平里和马山之间的丘陵地带：美23团2营G连
法国营——
砥平里西侧的水田（掘壕据守）：1连、南朝鲜兵连（配属给法国营的）、2连、3连（法国营和美23团2营阵地的分界线，为24A号公路）
团预备队——
美23团1营A、C两连阵地后侧：美23团1营B连、美第1游骑兵连
炮兵、工兵部队——
配属于环形防御阵地之内。
这样，7个美军连、3个法军连、1个南朝鲜军连共计11个连就围绕砥平里形成了东西长约2公里，南北宽约1.5公里的椭圆形环形阵地。在环形阵地内，还有2个连的预备队和炮兵、工兵。由于美23团已经在砥平里呆了十天，砥平里环形阵地是十分坚固的：阵地上的每一个连都挖掘了壕沟、构筑了掩体，阵地前则布满了反步兵地雷和纵横交错的铁丝网、埋设了照明汽油桶。阵地内的火炮和大型火器数量为：榴弹炮24门、迫击炮51门、配属坦克21辆。为了防止补给路线被切断造成的补给断绝，美23团已在环形阵地内囤积了大量弹药和够吃十天的食品。
由此可见，这一阵地的火力配置和美陆战队两个月前的下碣隅里、柳潭里等环形阵地相似，都是以步兵保护炮兵准备依托火力进行死守。这种环形阵地，是火力薄弱的中国军队的梦魇。两个月前，中国第9兵团就已经在长津湖边领教过了。但是，砥平里环形阵地有一个致命的弱点：由于防御部队太少，预备队只有2个连。一旦用完，而中国军队又突破了环形阵地，那美23团就只能束手就歼了。
从2月13日下午开始，美23团的侦察兵在砥平里四周发现了越来越多的中国军队，砥平里环形阵地的形势显得愈发紧张起来。为了增援孤军深陷敌阵地的美23团，李奇微于2月13日下午命美38团从原州一带出发，经双连隧道增援砥平里。结果，该团在注岩里以东、九屯里（砥平里东南5公里）以南2公里处的玉女峰（428高地）遭到中国116师的顽强阻击，无法前进。
到黄昏时分，在砥平里环形阵地之外白雪覆盖的群山间，大量信号弹腾空而起——那是中国军队各部正在进行联络。晚上8点左右，砥平里四周响起了隆隆炮声——中国军队认为砥平里外围的葛芝山、盼美山、望美山等山头上有敌人，对这些山头进行了炮击。伴随着中国军队炮弹的弹幕，在上述山头上距砥平里约4公里、处于美23团步兵射程之外的地方，大量火把出现了——这是前来进攻的中国军队。美23团以榴弹炮和迫击炮对这些火把进行了弹幕射击，而拿着火把的中国兵就分散开来，巧妙地依托隐蔽物穿过弹幕间
隙，向砥平里环形阵地缓缓逼来。到晚上10点，炮弹和机枪子丨弹丨突然落在了美23团1连头上。与此同时，三个中国炮兵连也开始向砥平里环形阵地内开火，阵地内的美23团团部和美军炮兵承受的炮火甚至比在一线的1连还要猛烈。
与此同时，在环形阵地南侧，中国356团开始以小股部队摸向G连阵地，以探明G连阵地的火力配置。此时，G连的防御正面宽800米，各排的部署情况是：第1排在西，以法国营1连为西邻，依托一座约40米高的丘陵（美军称之为“1号高地”）构筑阵地；第3排在中，依托另一座高约40米的丘陵（美军称之为“3号高地”）构筑阵地；第2排在东，在望美山南坡下的水田中构筑阵地。1、3两排的官兵可以在1、3号高地上向南俯视一片水田。由于水田和望美山都已被白雪覆盖，即使在夜晚，G连官兵只要认真观察也通过白雪的反光看见雪地上的人影。
中国356团的小股部队开始摸向G连阵地后，G连和法国营结合部的机枪手首先看见水田里晃动着中国军队的人影。机枪手们立即进行了猛烈射击。接着，有两个班的中国军悄然摸上，分别潜伏到G连3排阵地西翼和东翼，投掷了数颗手榴弹。神经过敏、高度紧张的G连3排官兵立即开始以各种武器胡乱射击起来。3排排长马克基中尉连忙命令各班停止射击，不要被中国军队的侦察所欺骗。几分钟后，两个中国班悄然退下了。
一小时后，也就是晚上11点，中国356团又对G连阵地进行了一次班级侦察。中国侦察兵们再次摸上G连阵地，投掷了手榴弹，炸伤1人，并朝马克基排长所在的壕沟摸去，结果暴露了目标，被击毙数人。余下的中国士兵再次退了下去。
到晚上11点30分前后，砥平里北侧1营正面响起了刺耳的冲锋号声；2营的阵地则在同时突然被中国军队的迫击炮炮火笼罩了——中国在正面攻击1营的同时开始炮击2营了。
进攻美23团1营的部队是中国119师357团。357团一西一东地展开1营和3营，分别对美A连和C连发起了猛烈冲击。美23团1营发挥全部火力，在炮火的支援下利用阵地前的地雷、铁丝网和汽油桶照明弹死守阵地。美军的榴弹炮、迫击炮、坦克炮、12.7毫米四联高射机枪、机枪、步枪一起吼叫着，曳光弹纵横交错，反步兵地雷和照明弹也在一个接一个地引爆，美23团1营的阵地前成了一片火海。在长津湖边的柳潭里、德洞关、柳潭里上演过的惨剧又在这里重演了。中国357团的官兵们面对美军炽烈的火力网前仆后继、视死如归，蒙受了严重的损失。美23团1营面前的阵地上，皑皑白雪上到处是中国军人的鲜血。这样的战斗进行了一整夜，中国357团一共进行了三次突击，始终没能成功突破美23团1营的火力网。
G连阵地上，中国军队的迫击炮弹四处落下，情景一片混乱。环形阵地内的美军炮兵发射了照明弹，照出了一些在水田中冲向G连阵地的中国士兵的身影。G连的一挺机枪正对着这些中国士兵，遂猛烈开火，压制了中国356团的冲击部队。这时候，一发迫击炮弹正中那挺机枪，将机枪炸毁，机枪阵地上的12人中有2人被炸死、6人被炸伤。见美军机枪哑火，中国356团的官兵们以为敌人已被迫击炮消灭，便向法国营1连和G连阵地同时发起了冲锋。
G连方面，由于那挺正对着中国军队冲击方向的机枪被打哑了，情况非常危急。一名叫埃莱治的美军炮兵上尉遂带领10名炮兵拿着一挺备用机枪增援机枪阵地。由于这些炮兵们从没上过第一线，因此当埃莱治带着人来到机枪阵地时，已经有5个人逃回去了。埃莱治带着剩下的人迅速抢救伤员、更换机枪。在埃莱治上尉更换机枪的时候，在法国营第1连的阵地上发生了一场戏剧性的战斗：中国356团见G连的机枪停止射击，以为敌人已在迫击炮火下被消灭或溃退，遂以一个排的官兵端着刺刀呐喊着冲向了法国营1连阵地南翼一角。法国营1连的阵地上立即响起一声警笛，一个班的法国兵便拿着手雷大喊着迎面冲向了端着刺刀的中国兵。在现代战争中，这一如同街头群殴的情景实属罕见。1号高地上的埃莱治上尉看到这一场景竟然一下子楞住了，忘记了手头的活计。
拿着刺刀的中国兵和拿着手雷的法国兵一同呐喊着朝对方冲去，互相逼近得越来越近、越来越近。这是一场意志和气势的决斗。当双方靠近到不到20米的距离时，有一方崩溃了——这次，崩溃的居然是素以战斗精神顽强著称的中国军队。一个排的中国军人突然掉过头去，队形散乱地退了下去。中国军队的这次进攻被法国营喝退了（本人大学军训，曾体验过一大批人端着刺刀向你冲来时候的震撼感；如果这些人手里的东西是手雷，很可能更令人震撼）。这时，时间是凌晨2点左右。
见中国军队的刺刀冲锋被法军喝退，埃莱治上尉继续更换机枪，总算架好了新机枪，并以这挺机枪对冲向G连正面的中国军队猛烈开火，再次压制了中国军队的冲击。从这时起一直到天亮时分，中国356团没有再次发起大规模攻击，只进行了上半夜已进行过的4次班级战斗侦察。