8月起，隨著福建戰事發展，國軍開始增強金門防禦。首先8月初國軍第二十二兵團率部進駐金門，其中兵團部、第二十五軍軍部及第四十五師守大金門，第五軍軍部和第二〇〇師守小金門，第四十師守大嶝島。

9月3日，國軍青年軍第八十軍之第二〇一師師部及第六〇一、六〇二團（第六〇三團調往福建馬尾）、戰車第三團之第一營（欠第二連）擔任金門防務。其中第二〇一師兩團由師長鄭果指揮，在臺灣由孫立人訓練後六〇二團，擔任金西第一線的防務，雖然只有兩個團，其員額裝備較第二十二兵團部隊整齊。九月中旬第五軍（欠第一六六師）歸還第二十二兵團建制，擔任小金門防務。

中華民國方面，東南軍政長官陳誠見漳州已失，金門守軍戰力不足，乃派副長官羅卓英銜命親往汕頭，洽胡璉第十二兵團接替第二十二兵團防守金門。胡兵團原屬廣州方面作戰序列，而十二兵團在國防部補給名單上僅二個軍，但兵團實有三個軍，遂以未列名之一個軍調往金門，10月10日、14日第十八軍（軍長高魁元）兩個師（第十一師、第一一八師）、（欠第四十三師）及兵團部由潮汕轉移增防金門。在第十二兵團全部尚未到達接替防務之前，暫歸第二十二兵團李良榮司令指揮。10月19日，第十九軍劉雲瀚部（下轄第十三師、第十四師、第十八師）奉公署命改駛金門22日晚抵達金門，因接駁效率不彰，直到24日晚才將部隊一半接運上岸。

三野渡江以來，未遭遇國軍大反抗，未注意渡海作戰種種隱憂，如搭載船隻不足；另外情報不靈，在大、小嶝島戰役，業已發現被俘國軍中，已有胡璉兵團第十八軍主力第十一師俘虜，但主事者仍認為守軍要逃，反懷疑供詞不可靠，當時解放軍28軍副軍長蕭鋒親審俘虜，向兵團報告，葉飛說：「不可能吧。胡璉兵團還在潮、汕地區未動。」。葉飛對蕭鋒說：「看來大陸再也不會有什麼大仗打了，你們二十八軍就掃個尾吧。」^[2]。人民解放軍進攻部隊為第十兵團下之二十八軍，共派出第一梯隊三個團九千餘人。

10月15日解放軍佔領廣州，發起廈門戰役，擊敗廈門國軍，10月17日廈門國軍棄守，10月24日，胡璉兵團已在金門海面停留了一晝夜，成功欺騙解放軍^[3]，25日凌晨1點30分解放軍開始登陸金門。晚上九時，解放軍第一梯次二十八軍八十二師二四四團、二十八軍八十四師二五一團、二十九軍八十五師二五三團和二十八軍八十二師二四六團三營分別在澳頭、大嶝、蓮河登船完畢，原定於啞鈴形之金門中央狹窄腰部登陸，進而將金門一分為二。

因潮流向西漂流，於二十五日約凌晨一時半抵達壟口、後沙、古寧頭一帶。為了掩護登陸，解放軍炮兵開始從大、小嶝砲擊金門北岸官澳、西園、觀音亭山、古寧頭等地猛烈射擊，但解放軍隔岸砲擊火力有限。至解放軍上岸後，建制混亂，不能有組織戰鬥，但仍能各自爲戰，紛紛向岸上突擊前進。最先在壟口登陸之解放軍二四四團面臨裝甲部隊死傷慘重，二五一團在古寧頭突破登陸，二五三團在在湖尾登陸，突破防線，這時解放軍葉飛將軍接到登陸成功報告，以為勝利在望，但是由於不熟悉潮汐漲退的關係，結果搶灘船隻因退潮全陷在沙灘上動彈不得。 此時剛好有兩輛坦克車巡視邊防，其中一輛因故障而在灣邊之低崖，做初步排除故障，另一輛先行回營。這時有新兵以望遠鏡觀看是否有團部派來工兵排前來協助，當此位新兵無意間將鏡頭轉向海邊時，正看見解放軍先遣登陸部隊擱淺在沙灘動彈不得。於是拿起一支步槍對空鳴槍警視，此聲槍響驚醒了大部分守軍，於是古寧頭戰役就此展開。

國軍海軍掃雷二零二與南安二艇於三時左右在古寧頭西北海面，猛烈轟擊擱淺之解放軍船隻和軍隊。天亮後一百多艘解放軍船無一返回，第二梯次援軍隔海望洋興嘆。

第十八軍軍長高魁元指揮第一一八師（欠第三五二團）配屬戰車第三連（欠一排）向解放軍攻擊；第十九軍之第十八師其已登陸進駐瓊林之部隊亦就近歸十八軍高軍長指揮。該師尚未下船之第五十三團則轉航小金門登陸，歸第五軍軍長李運成指揮；第十九軍軍長劉雲瀚與第廿五軍軍長沈向奎連絡，指揮該軍第十四師（欠第四十團），及第十三師之一部，由金門後埔向北推進，迎擊由安岐、埔頭南竄之解放軍，併積極向古寧頭推進，另以第四十師之迫擊砲全部配屬第十四師，以加強其火力。戰車營營長陳振威將預備隊戰車兩排，進至瓊林待命。

25日解放軍二四四團一度佔領雙乳山，天亮時遭國軍裝甲部隊反擊退敗。在湖尾登陸之解放軍二五三團佔領觀音山和湖尾高地，到二十五日中午被迫撤退，解放軍二五一團衝出包圍竄到古寧頭，固守林厝，被國軍十四師和一一八師強力反攻，反攻林厝的國軍十四師四十二團上校團長李光前陣亡。

26日凌晨，解放軍湊齊一些船隻由二四六團團長孫玉秀率該團的兩個連和解放軍第八十五師的兩個連增援。二四六團在湖尾登陸；另兩連在古寧頭登陸。

二四六團的兩連，天亮時突破包圍，在古寧頭和據守該地解放軍會合，清晨六時三十分，高魁元指揮反擊，一一八師從浦頭以北海岸線向林厝攻擊。林厝戰況激烈是因為解放軍據永久工事還擊。九時多，國軍空軍輪番炸射。雙方巷戰，戰況慘烈，十二時國軍攻下林厝，十五時拿下南山。十一時，東南軍政長官公署副長官羅卓英偕第十二兵團司令官胡璉到達金門戰場，胡璉接手指揮。

國軍已掌控情勢，勝券在握，三五二團於十五時攻入北山，一一八師師長李樹蘭以三五三團接替三五二團，偕同戰車繼續攻擊任務。

午夜時分，解放軍彈盡糧絕，突圍到海邊，一千三百餘人困在古寧頭以北斷崖下沙灘，27日清晨國軍猛攻，擊斃四百餘人，其餘被俘，孫玉秀自殺。上午十時，古寧頭戰役正式結束。又27日凌晨三時尚有解放軍第二五九團第三連約三十餘人，乘汽艇一艘到達古寧頭北側海岸，登陸後亦盡爲國軍所俘。

據聞當時解放軍28軍副軍長蕭鋒和政治部主任李曼村面對葉飛失聲痛哭。葉飛報告華東軍區司令員陳毅並報中央軍委，請求予處分。

金門上的戰鬥直到28日才逐漸平息，零星戰鬥持續更長。此外金門島上逗留時間最久的是解放軍二五三團團長徐博，他在26日晚突出重圍進入東部山區後，就一直隱蔽在北太武山的山洞中，靠挖食地瓜等植物充飢，等待解放軍第二次登陸。一位北太武山的村民向胡璉報怨他種的紅薯常常在夜晚被部隊偷吃，胡璉出動一個師的兵力進行搜山。徐博直到1950年1月，即戰役結束三個月後才被國軍發現，他當時「長髮長鬚，形同野人」。徐博後來被押到臺灣處決。

蕭鋒後來回憶：「但後來從古寧頭村史記載中才知，金門島根本沒有共產黨的組織，也沒有共產黨領導的游擊隊來接應我們。我軍上島後，金門老百姓根本不支持我軍，反與我為敵，我軍與蔣軍鏖戰時，村民們聚在附近山頭看熱鬧：『中國人打中國人，中國人殺中國人實在太精彩了，比看電影還過癮。』戰後掩埋解放軍戰士屍體，村民齊動手。有許多受傷很重的解放軍官兵，並未死亡，『一個個腦袋光禿禿的，眼睛睜得圓圓的，呻吟聲此起彼落』。有一個十六七歲重傷戰士被掩埋時一直猛搖手，看起來凄慘而恐怖。因此，即使留下來打游擊，也是困難的，堅持不了多久。因為金門的老百姓根本不支持解放軍。」

古寧頭戰役解放軍共有三批登陸，首批為10月24日晚的二十八軍八十二師的二四四團、二十八軍八十四師的二五一團、二十九軍八十五師的二五三團和二十八軍八十二師的二四六團三營，共十個建制營；第二批是10月25日晚的二十八軍八十二師二四六團一營二連和兩個機砲排，以及從全團抽調的30多名戰鬥骨幹（共300多人）、二十九軍八十七師二五九團三營的200多名戰鬥骨幹（實際上島100多人）；第三批是10月26日晚二十九軍八十七師二五九團一營二連的30多名（接應傷員撤退），合計9,086人，其中船工、民夫約350人。

解放軍戰史稱登陸部隊大部犧牲，包括二五一團參謀長郝越三、政治處主任王學元、二四六團副團長劉漢斌，倖存被俘者僅3,900餘人，其中營長6人、連長5人、指戰員1人，大部被送至臺中干城營房實施新生訓練^[5]；其他官階較高，如二五一團團長劉天祥是用飛機運回（有說是在臺絕食死亡）。^[6] 國軍戰史稱俘虜共軍7,364人，具體情況是二○一師俘虜1,495人，一一八師俘虜3,204人，十一師俘虜735人，十八師俘虜995人，十四師俘虜935人。兩者之說法差異甚大。

解放軍戰史稱斃傷國軍9,000多人，國軍戰史稱陣亡1,267人，傷1,982人，共3,249人。陣亡最高職務的是十九軍十四師四十二團團長李光前上校。但1953年國軍金門地區陣亡將士公墓收斂金門、大二擔、南日島三次戰鬥的陣亡及病故人員共4,500具屍體，其中大二擔、南日島戰鬥的規模遠遠遜於古寧頭戰役，可以粗略估算古寧頭戰役國軍陣亡人數約在3,500人以上（結合國軍自己公佈的1,267人，加上就地補入金門守軍的解放軍俘虜2,000人，大致相當），負傷者估計在5,000以上。

解放軍被俘的包括244團團長兼政委刑永生、參謀長朱斐然、政治處主任孫樹亮、特務連副指導員劉繼堂、251團團長劉天祥、副團長馬紹堂、政委田志春、253團參謀長王劍秋等。邢永生、朱斐然有說是在臺關押時死亡，有說是赴臺後失蹤。^{[12] [13]} 1950年開始，陸續有被俘解放軍被釋回到大陸，官職較高的如孫樹亮，26日被俘，被關押在臺北內湖集中營，1950年回到大陸。最後一名被釋的戰俘是於1956年1月被釋的253團一營一連的許道位。（直到20世紀80年代，還陸續有人返回大陸。）^[14] 戰俘回到大陸後被視為叛徒，要接受審查、學習。很多戰俘都被判處徒刑：孫樹亮5年、馬紹堂5年；還有253團3營營長李子元、251團副連管理員竇永禮、29軍司令部參謀徐惠良等被槍斃。^[15]

鑒於古寧頭戰役的慘敗，在第四野戰軍將要發動海南島戰役之前，毛澤東專門發電報要求四野向三野調查渡海作戰經驗，以免重蹈金門覆轍。^[16]後來第四野戰軍經過充分準備，攻佔海南島。而葉飛等人經過對古寧頭戰役的總結，在1953年的東山島戰役中取得勝利，第三野戰軍更於1955年攻佔一江山島。