为了直接配合坑道作战和进行反击准备，第１５军以第２９师和第４４师先后攻歼了上甘岭以西柏德里东山和平康以南万渊里地区之３８１高地、３９１高地之敌，共歼敌３０００余人。
我军在坚持坑道作战的同时，紧张地进行对敌实施决定性反击的准备工作。１０月２０日，第３兵团决定将从一线阵地撤出、正准备休整的第１２军调往五圣山地区作为战役预备队，同时以第１５军２９师接替第４５师除５９７.９高地和５３７.７高地以外的全部防务，以使第４５师全力投入上甘岭作战。另将炮７师一个营、炮２师四个连和高射炮兵一个团加强给第１５军。同时还给第４５师补充了１２００余名新兵。
１０月２９日，我军实施决定性反击的准备工作就绪，并已进行了两天的预先火力准备，将敌占表面阵地工事基本摧毁。
１０月３０日战役终于进入第三阶段。当日２１时，第１５军以第４５师五个连、第２９师两个连与坚守坑道部队配合，在山、野、榴炮５０门、火箭炮２４门、迫击炮３０门的支援下，开始对５９７.９高地之敌实施反击。坚守坑道部队三个连首先对敌发起冲击，随即坑道外部队七个连进入战斗，对敌实施两面夹击。经五小时激战，全歼守敌四个连，并打退敌一个营的多次反扑。至３１日夜，除１个班阵地外，５９７.９高地全部为我收复。
１１月１日，敌人又发动六个营的兵力向我５９７.９高地冲击十四次，我坚守部队在纵深炮火支援下，均将敌击退，毙伤敌１５００余人。当日晚，我预备队第１２军第３１师第９１团投入战斗，并增调９个炮兵连参战（支援火炮达到了２１个连７３门，另火箭炮６个连２４门）。次后２日～５日，敌人集中美７师、空降１８７团各一部以及韩国第９师和哥伦比亚营，每日均以一个营至一个团的兵力连续攻击。５日，第１２均９３团一个营投入战斗，同第９１团最后粉碎了敌人的进攻，巩固了５９７.９高地的阵地。此次作战，我军共歼敌６０００余人。
我军收复５９７.９高地后，随即准备反击５３７.７高地北山之敌。至１１月１０日，敌全部占领该高地表面阵地，据守之敌为韩２师的一个营。
１１月１１日１６时２５分，我第３１师第９２团两个连在山、野、榴炮７０门、迫击炮２０门和火箭炮２４门的直接支援下，分两路发起冲击。激战至１７时，夺回了５３７.７高地北山阵地，全歼守敌。同时，第９３团以一部兵力收复了我原放弃的５９７.９高地的一个班阵地。
１２日，敌人以一个团的兵力向５３７.７高地北山发起反扑。我军与敌人展开激烈的阵地争夺战，每天都要打退敌人数十次进攻。１４日，第９３团主力加入战斗。１８日，第３４师１０６团加入战斗。经过激战至２５日，我终于打退了敌人疯狂反扑，巩固了５３７.７高地北山阵地。此时，敌人由于伤亡惨重，被迫将韩２师缓和美７师撤下整补，该两师防务由韩９师和美２５师接替。随即，敌人的进攻基本停止。上甘岭战役以我军的完全胜利而告结束。
上甘岭防御战役共历时４３天，敌我双方在不足四平方公里的狭小地区，均投入大量兵力、火力，进行了持久的反复争夺，战斗激烈程度前所罕见。
敌人先后投入进攻的兵力有：美７师、美空降１８７团（欠一个营）、韩２师（四个团欠一个营）、韩９师以及埃塞俄比亚营、哥伦比亚营，共１１个团两个营（战役中并补充新兵９０００余人），另有１个炮兵营１０５ｍｍ口径以上火炮３００余门，坦克１７０余辆，出动飞机３０００余架次，总兵力６万余人。
我军在战役中出动部队有：第１５军之第４５师、第２９师，第１２军之第３１师及第３４师１个团，榴弹炮兵第２、第７师，火箭炮兵第２０９团，第６０军炮兵团，高射炮兵第６０１、第６１０团各一部，共山、野、榴炮１１５门，火箭炮２４门，高射炮４７门，另有工兵第２２团第３营、担架营，总兵力约四万余人。
战役中敌人共发射炮弹１９０万发，投掷炸弹５０００余枚，我两个高地的土石被炸松一至两米。我方发射炮弹４０余万发，亦属空前。该战役的炮兵火力密度，已经超过了第二次世界大战。
是役，我军共毙伤俘敌２.５万余人，我军伤亡１.１５万余人，敌我伤亡比例２.２１：１。我军击落击伤敌机２７０余架，击毁击伤敌大口径炮６１门、坦克１４辆。据敌方自称，战役中其物资损失仅仅次于１９５０年全年的消耗。
美国新闻界评论说：“这次战役实际上却变成了朝鲜战争中的‘凡尔登’”，“既是用原子弹野不能把狙击兵岭（５３７.７高地北山）和爸爸山（五圣山）上共军部队全部消灭”
