在增援部队登陆后，经过一些相对不激烈的战斗，部队抵达双乳山，并与第一梯队建立了联系。孙云秀团长率领的部队与军指挥部取得联系，接受统一指挥。10月26日清晨，经过休整的国民党军在空军和海军的支援下，对坚守在古宁头、林厝、埔头的解放军展开了猛烈攻击。地面攻势难以奏效后，国民党军动用飞机狂轰滥炸，随后用坦克和火箭筒摧毁解放军简易工事，但解放军阵地屹立不倒，国民党军三个主力师一整天的冲击都未能突破。
经过两天苦战，我军登陆部队退至古宁头，仅剩不足1000人，弹药殆尽。古宁头，位于大金门岛西北角，地形平坦，丘陵相间，渔民房舍坚固，成为我军依托的据点。国民党守军在争夺每一处阵地和房屋时，都付出了惨重代价。26日晚，团领导召开会议，决定分散打游击。22时，孙云秀接到上级指示，同意撤退，但不赞同在岛上打游击，命令尽快撤离。午夜，部队试图突围，但因缺乏船只和渡海工具，被迫转移至山区。然而，在转移过程中被国民党军发现，激战后大部分部队牺牲或被俘，金门战斗以我军失利告终。
虽然进攻金门岛的战斗中，国民党军损失近9000人，但解放军的代价同样惨重，3个多团近9100人（包括船工、民夫）大部分牺牲或被俘，这是解放战争中的重大损失。此次战役凸显了海军力量的重要性，促使中国海军的发展进入新阶段，成为海军建设的起点。
金马岛是金门、马祖两个岛屿。金门岛位于福建省东南沿海，离大陆最近处约 5.5海里。主岛大金门面积为124平方公里，小金门为15平方公里。东西走向，两头大中间小。马祖岛亦位于福建省境内，岛上丘陵起伏，中部较低，呈马鞍形，面积12平方公里，因林默娘投海殉身寻父，清康熙册封为天后而得名。
