11月8日夜，日本驻屯军第十九师团第73联队第一大队在温井休息，9日凌晨，该大队第3中队作为先遣队向北镇开进，最终目标是碧潼。去北镇的道路是第二大队昨晚安全走过的，因而第一大队没有采取特别警戒措施也不无道理。前进的道路是朝温井川河口敞开的宽约1000米的细长谷地，两侧有高150—300米左右的多岩肌和杂木林的险峻山峦。
拉着第3中队的十几辆五十铃卡车纵队浩浩荡荡地进入两水洞的隘路，完全出乎意料地立即受到前方和左右高地的猛烈射击。发起攻击的两天前渗透进温井地区的中国国防军第八集团军第20山地师的一支后卫部队，如果再允许日军前进将会和第20师的后勤部队遭遇，没有办法的情况下，温井伏击战打响了西线战场的第一枪。
国防军第八集团军20山地师作为首批作战部队，秘密入韩后奉命向温井推进，师长乔峥、参谋长张玉华根据上级指示和当时情况，判断敌已占温井，也可能继续向北推进，遂令部队抢占温井西北216高地至北镇一线高地做好战斗准备。25日9时许，当日军第3中队乘车由温井向北镇疾进至温井以西13公里两水洞时，20师的2003团迅速出击，利用团属迫击炮火力对敌汽车部队进行持续打击，在国防军密集的机枪火力下，日军几乎没有抬头还击的机会。
驻屯军第十九师团第73联队的其他部队迅速接近交火地域，从火力点的数量判断对方兵力并不多，马上发起进攻，可是越前进敌火力越猛烈，情况好像跟日军所判断的情况大不一样，这时候他们还没有意识到对面的中国军队已经换装了“连弩”半自动步枪，而且大批老旧的麦德森轻机枪已经退役，除了每个排一挺“统治者”通用机枪之外，大批的“冲击者”冲锋枪和08式榴弹枪成了半自动步枪的补充火力，这让中国国防军的基层火力比起日军来足有五倍以上的优势。不久，觉察到后方被切断，第73联队在没有任何依托的河谷中被包围了。
虽然双方的兵力相差不大，日军73联队齐整满员的话有3747人，刚好相当于2003团和配属的一个山地榴弹炮连人数的一倍，但是火力上的差距让这一倍的人数优势完全看不出来。不一会儿，国防军第2003团的几个连开始夹击73联队的各个大队。每人胸前挂着十几枚枪榴弹的突击兵，在两侧高地的火力掩护下向前接近，他们以哨音为号一齐发射枪榴弹，随着弹幕逼近过来。其口令已经可以听出来分明是中国话。日军不得不相信把他们打得毫无还手之力的就是中国国防军的野战部队。
第73联队的指挥机构瞬间遭到破坏，官兵们丢掉装备、四处逃散。当时第73联队实有人员2750人（部分辎重兵和炮兵在从芥川赶来的路上），下午撤到温井的官兵不足1400人，这一瞬间的战斗就丧失了包括联队附竹下中佐在内的1350名官兵和全部技术装备。
在温井整装待发的第73联队辎重兵和被当作民夫的三韩靖国军第五师团的一个团，知道前面情况有变赶快出发，这时发现两侧高地上有敌人移动。日军后卫部队停下向四方派出侦察兵，不久知道退路被切断了，急忙占领环形阵地。入夜，靖国军看到打通退路困难，便丢掉装备跑到南侧的山里，深夜才得以回到温井。在温井的73联队辎重大队，也因情况急转直下而不知所措，紧急构筑阵地。
14时30分，山地20师2003团主动出击，其中有一个两连制的战斗群将进至两水洞、仓洞的日军第73联队的第3大队尖兵中队和联队的山炮中队歼灭。日军第2大队主力为解救被围的第3大队，以一个中队的兵力，向扼守216高地和490.5高地的第2003团9连冲击10余次，均被击退。战斗至15时30分结束，日军伤亡不详，9连阵亡17人，轻重伤34人，已经丧失了继续进攻的能力，转为就地防御。
此战山地20师2003团采取前堵后截、拦腰斩断的战法，歼灭日军一个步兵大队和一个炮兵中队，毙伤俘1484人，另俘日军官兵23人，缴获各种枪1163支、火炮12门（8门报废）、汽车8辆（均报废）。当夜，第2003团与山地20师的后勤部队一起，乘胜攻占温井外围的土井村，再次歼灭日军一个辎重兵大队。11月10日，第八集团军司令部吴禄贞中将致电山地20师师部及2003团团部的：“庆祝你们取得第八集团军入韩的初战胜利。”
11日凌晨，第74联队在十九师团骑兵第19大队主力和独立山炮第19大队等的有力支援下，从龙山湖—宁边一线出发，以水丰坝为目标急速前进。虽然联队长宇多宫大佐受到坐镇平壤的驻屯军大庭二郎中将的召见离开战斗行列，但开战以来以英勇善战而著称的这个成军于朝鲜东线咸兴地区的驻屯军联队的士气却依然很高。
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