在我军发起夏季战术反击后，敌人认为它已经在作战上丧失主动权。为了迫使我军转入守势，扭转其被动局面，同时谋求在谈判中的有利地位，美国军队首脑决定马上组织进攻作战。
１０月８日，美方代表单方面宣布无限期休会。紧接着，美国方面在军事上又施加压力。１０月１４日，以美国为首的“联合国军”便以上甘岭地区为主要进攻目标，发动了一年以来规模最大的“金化攻势”（代号为“摊牌作战”）。
“金化攻势”的攻击目标是我中部战线要点五圣山前志愿军两个连据守的两个高地（５９７.９高地和５３７.７高地）。由于高地下有一个小村庄叫上甘岭，志愿军抗击敌进攻的这次战役便被称为“上甘岭战役”。
敌军这次进攻由美国第８集团军司令范弗里特亲自计划，同时亲自指挥作战。１０月１２日起，敌方首先以航空兵、炮兵对我五圣山、上甘岭及５９７.９高地和５３７.７高地北山两阵地，实施了连续两天的火力突击。１４日３时起，敌人又进行了两个小时的猛烈炮火准备。凌晨５时，以美７师、韩２师各一部共七个营的兵力，在１０５ｍｍ以上口径火炮３００余门、坦克３０余辆、飞机４０余架的支援下，分六路向我第１５军４５师１３５团防守的５９７.９高地和５３７.７高地发起猛攻。与此同时，美７师、韩９师各一部共四个营的兵力，分别向我第４４师、第２９师正面多个阵地实施牵制性进攻。
防守上甘岭两个阵地的我１３５团９连和１连在仅有１５门山、野、榴炮和１２门迫击炮支援下（午后山、野、榴炮增加至４３门），主要依靠步兵武器、依托坑道和野战工事顽强战斗。战至１３时左右，我野战工事几乎全部被毁，人员伤亡较大，表面阵地大部被敌占领，我防守部队转入坑道作战。１９时，我乘敌立足未稳，组织四个连的兵力实施反击，又恢复了表面阵地。当日，我军毙伤敌近２０００人。
我第４５师调整部署，将准备用于反击注字洞南山的两个炮兵营调至上甘岭地区，以１３４团两个营和１３３团一个营分别加入５９７.９高地和５３７.７高地北山防御，并将师指前移至德山岘，集中力量粉碎敌人对上甘岭地区的进攻。
１５～１８日，敌人又先后投入两个团又四个营的兵力，在猛烈火力支援下，继续向我两个高地发动猛攻。我防守部队与敌反复争夺，阵地昼失夜复，战斗异常残酷激烈。至１８日，我两高地的表面阵地全部被敌占领。
１９日晚，我第４５师分别以三个连的兵力，在坚守坑道部队配合下，对占领两高地表面阵地之敌实施反击，一举恢复了阵地。在反击５９７.９高地的战斗中，我第１３５团２营通信员黄继光为打开冲击道路，掩护分队突击，用自己的身躯堵住了敌人机枪工事的发射孔，保证了战斗的胜利。
２０日，敌又以两个营的兵力，在飞机３０架和大量炮兵配合下向两高地进行轮番攻击。激战终日，除５９７.９高地西北山腿的三个阵地外，其余表面阵地又相继为敌占领。我防守部队再次退守坑道坚持战斗。战役的第一阶段结束，开始了艰苦的第二阶段作战。第一阶段，敌我双方在不足四平方公里的阵地均投入大量有生力量，敌人投入了七个团共１７个步兵营，我投入三个团２１个步兵连。据不完全统计，我军共歼敌７０００余人，我伤亡３２００余人。
战役进入第二阶段后，敌人在伤亡巨大的情况下仍不愿放弃进攻。１０月２１日后，敌人一面以各种手段围攻我坑道部队，一面为继续实施进攻进行部署调整，并调遣韩国第９师为战役预备队。
此时，我第４５师人员物资消耗较大，暂时无力组织较大的反击。为进一步坚守和实施反击创造条件，第４５师奉命重点转入坚守坑道作战，以争取时间，为进行最后粉碎敌人进攻、恢复全部阵地的决定性反击作准备。
敌人为巩固已占阵地，对我坚守坑道的部队采取了封锁、轰炸、爆破、熏烧、堵塞坑道口或向坑道内投掷毒气弹等残暴手段进行围攻。我坚守坑道部队在极端困难的条件下，高度发挥不畏艰难、不怕牺牲的革命精神，团结一致，积极作战。战役中，第１５军有１６个连队的人员在表面阵地失守后退入一个坑道。洞内空气污浊、缺粮、缺弹，尤其是缺水。洞内人员在建制已被打乱，伤员又占多数的情况下，组织了临时党支部和党小组，克服了常人难以忍受的困难，直至最后胜利。
从１０月２１日至２９日，我坚守坑道部队共组织班、组兵力，以夜袭手段出击１５８次，除９次未能奏效外，其余均获成功，共计歼敌２０００余人，并恢复了７处阵地。。同时，坑道部队还采取冷枪狙击的战术大量消灭敌人。在此期间，我二线部队为了支援坑道部队作战，曾以两个班至五个连的兵力，在炮兵和坚守坑道部队配合下，向５９７.９高地反击五次，向５３７.７高地北山反击七次。同时第１５军抽调战斗部队和各师团机关人员组织火线运输人员，冒着炮火封锁通过数十里山路向坑道提供物资补给。
