战役过程
10月6日志愿军突击队在潜伏一天后于晚6点发起进攻，由4个连进攻韩国第9师30团防守的白马山391高地，另2个连佯攻法国步兵营防守的箭头高地(281高地)。志愿军投入后继部队2个连，攻占395高地。
10月7日志愿军预备队第342团投入战斗，韩军第9师主力第28团(加强团)投入战斗，391高地反复易手。美空军出动了上百架次飞机对志愿军进攻部队，后方补给线，后方炮兵阵地进行饱和轰炸。
10月8日志愿军第38军主力团第112师第334团投入战斗，下午攻占白马山顶。韩军第30团兵员损伤过大，被迫撤出休整。志愿军342团接替334团防守白马山后，受到敌空军及数个重炮群反反复复的覆盖射击，十分被动。韩军第9师第29团投入战斗，夜间夺回395高地。
10月9日中国和韩国部队在白马山顶展开拉锯战。至此，尽管战斗刚刚进行了4天，双方却都投入了3个团的兵力，激烈程度大大超过志愿军的预期。志愿军38军因担负宽大防御正面，加之战前对战斗发展过于乐观(340团主攻，342团预备)，未预留更多后备力量，此时兵力运用已呈捉襟见肘。
相反，韩国总统李承晚对此战很重视，他一面直接督令韩9师在寺后洞设置收容线收容从白马山溃散下来的败兵，紧急编成反冲击梯队，另一面则从釜山、春川的编练师调集大量新兵，给韩9师随打随补，因损失过大撤下的韩军部队(第30团、第28团)经过战场整补，增派军官，很快又恢复了战斗力，再次投入战斗。
10月10日韩军参战的最后一个团级番号第51团投入战斗，配合第29团夺回395高地。
10月11日志愿军参战的最后一个团级番号第339团投入战斗，夺回395高地
10月12日韩国第30团经过补充兵员军官，重新投入战斗，一度夺回395高地。志愿军第三次佯攻箭头高地(281高地)，并重新攻占395高地。
10月14日美第8集团军在金化前线的上甘岭地区以美军第7师和韩军第2师为主，发起了“摊牌作战”。中方称“上甘岭战役”。
中国军队全线争夺重点转向上甘岭地区，第38军于14日夜停止了对395高地的争夺，并至15日凌晨全部撤出白马山地区已经攻占的其他高地
10月15日韩国第9师报告志愿军部队退出白马山阵地。
战役结果
在连续9天201个小时的争夺中，韩军第9师陆续投入4个步兵团(第28，29，30，51团)，包括补充师，总计一线兵力约18000人。志愿军第38军相继投入4个团(334，339，340，342)，总计一线兵力约15000人。
志愿军报告自身伤亡6700余人。
韩军战后统计第9师3个团(28.29.30)共3422人死伤(505人死亡，2562人受伤，失踪391人);造成志愿军的损失是8234人鉴定死亡、5097人推定死亡、1001人受伤、俘虏52人，总计造成志愿军死伤14332人。对比双方参战人数和俘虏人数比例，韩军对志愿军伤亡明显夸大，但是清理战场是韩方进行，所以志愿军阵亡8000人以上为韩方提供数据。
白马山战役韩9师及美国空军造成中国军队伤亡6700余人(韩国宣称14322人)，38军此役遭挫首开志愿军败给韩国军队的记录。韩军方面也付出了伤亡4000余人的代价(中国方面记录此役韩国损失9400余人)。作为韩战中对中国军队唯一的获胜战例，韩国军方战后一直大力宣传白马山战役，韩国第9师同时赢得了“白马师”的称号。
志愿军承认38军未能啃下韩军“1个加强营的阵地”。但由于志愿军在随后进行的更大规模的上甘岭战役(Battle of Triangle Hill)中获得了标志性的胜利，因此在战后宣传上中国方面一直有意忽略白马山战役，直到90年代初才有参战军人通过回忆录等形式承认这是一次“失利战斗”。然而此战的失利，并没有改变第38军在中国军队中的“万岁军”地位。
白马山战役表明，经过2年多的战争锻炼以及美军的训练和整顿，韩国军队素质大为提高。韩国军队依靠自身的力量，以及美国空军炮兵的支援，以一个师的兵力对抗志愿军一个师兵力的全力进攻，在10天的战斗中白马山24次易手而韩国军队不后退，终于守住了这个战略要地。
韩国方面
韩方认为在美军空军的支援下，韩国军队甚至可以做到在中国最精锐的部队以数倍于其的兵力的人海战术之下，依旧顽强抵抗直至志愿军在重大伤亡后不得不退出战斗为止。据此，第9师战后被称为“白马部队”，成为韩军的荣誉部队，该师的徽章也从此改为白马图案﹐该师参谋长朴正熙后来成为大韩民国总统。
中国方面
中方认为志愿军第38军战前作战计划泄漏，造成重大困难。志愿军在敌预有准备的火力优势下，强攻稳固阵地，遭受了不必要的伤亡。尽管如此，主攻部队仍造成韩军重大伤亡，至战役末期，志愿军依然占领着除主峰以外的大部分阵地，最终迫于周边韩军和美军重型炮兵等9个炮兵营的炮火支援，美军1个坦克营的抵近火力支援，和美远东空军的空中支援，以及其后美军第8集团军新的作战意图(即“上甘岭战役”，美军称“摊牌行动”)而主动撤出战斗。志愿军认为，韩军此战兵员损失甚众，韩第9师依靠釜山、春川不断补充新兵员才得以坚持到10月14日。据此，志愿军虽认识到韩军战斗力有了很大提高，但并未彻底改变对韩军的轻视态度。在志愿军战史中，此战的失利被随后在上甘岭战役的胜利所遮盖，并未得到过多关注。
此战结束4个月后，志愿军38军撤换到后方担任预备队直到1953年回国，此战遂成为38军在朝鲜的最后一战。韩9师撤下整补后于1953年参加了韩战最后一战-金城战役，与志愿军第24军争夺金化地区的432.8高地失利，结束了在韩战中的军事行动。