10月8日，美方代表單方面宣布無限期休會。緊接著，美國方面在軍事上又施加壓力。10月14日，以美國為首的“聯合國軍”便以上甘嶺地區為主要進攻目標，發動了壹年以來規模最大的“金化攻勢”（代號為“攤牌作戰”）。
“金化攻勢”的攻擊目標是我中部戰線要點五聖山前誌願軍兩個連據守的兩個高地（597.9高地和537.7高地）。由於高地下有壹個小村莊叫上甘嶺，誌願軍抗擊敵進攻的這次戰役便被稱為“上甘嶺戰役”。
敵軍這次進攻由美國第8集團軍司令範弗裏特親自計劃，同時親自指揮作戰。10月12日起，敵方首先以航空兵、炮兵對我五聖山、上甘嶺及597.9高地和537.7高地北山兩陣地，實施了連續兩天的火力突擊。14日3時起，敵人又進行了兩個小時的猛烈炮火準備。淩晨5時，以美7師、韓2師各壹部***七個營的兵力，在105mm以上口徑火炮300余門、坦克30余輛、飛機40余架的支援下，分六路向我第15軍45師135團防守的597.9高地和537.7高地發起猛攻。與此同時，美7師、韓9師各壹部***四個營的兵力，分別向我第44師、第29師正面多個陣地實施牽制性進攻。
防守上甘嶺兩個陣地的我135團9連和1連在僅有15門山、野、榴炮和12門迫擊炮支援下（午後山、野、榴炮增加至43門），主要依靠步兵武器、依托坑道和野戰工事頑強戰鬥。戰至13時左右，我野戰工事幾乎全部被毀，人員傷亡較大，表面陣地大部被敵占領，我防守部隊轉入坑道作戰。19時，我乘敵立足未穩，組織四個連的兵力實施反擊，又恢復了表面陣地。當日，我軍斃傷敵近2000人。
我第45師調整部署，將準備用於反擊註字洞南山的兩個炮兵營調至上甘嶺地區，以134團兩個營和133團壹個營分別加入597.9高地和537.7高地北山防禦，並將師指前移至德山峴，集中力量粉碎敵人對上甘嶺地區的進攻。
15～18日，敵人又先後投入兩個團又四個營的兵力，在猛烈火力支援下，繼續向我兩個高地發動猛攻。我防守部隊與敵反復爭奪，陣地晝失夜復，戰鬥異常殘酷激烈。至18日，我兩高地的表面陣地全部被敵占領。
19日晚，我第45師分別以三個連的兵力，在堅守坑道部隊配合下，對占領兩高地表面陣地之敵實施反擊，壹舉恢復了陣地。在反擊597.9高地的戰鬥中，我第135團2營通信員黃繼光為打開沖擊道路，掩護分隊突擊，用自己的身軀堵住了敵人機槍工事的發射孔，保證了戰鬥的勝利。
20日，敵又以兩個營的兵力，在飛機30架和大量炮兵配合下向兩高地進行輪番攻擊。激戰終日，除597.9高地西北山腿的三個陣地外，其余表面陣地又相繼為敵占領。我防守部隊再次退守坑道堅持戰鬥。戰役的第壹階段結束，開始了艱苦的第二階段作戰。第壹階段，敵我雙方在不足四平方公裏的陣地均投入大量有生力量，敵人投入了七個團***17個步兵營，我投入三個團21個步兵連。據不完全統計，我軍***殲敵7000余人，我傷亡3200余人。
戰役進入第二階段後，敵人在傷亡巨大的情況下仍不願放棄進攻。10月21日後，敵人壹面以各種手段圍攻我坑道部隊，壹面為繼續實施進攻進行部署調整，並調遣韓國第9師為戰役預備隊。
此時，我第45師人員物資消耗較大，暫時無力組織較大的反擊。為進壹步堅守和實施反擊創造條件，第45師奉命重點轉入堅守坑道作戰，以爭取時間，為進行最後粉碎敵人進攻、恢復全部陣地的決定性反擊作準備。
敵人為鞏固已占陣地，對我堅守坑道的部隊采取了封鎖、轟炸、爆破、熏燒、堵塞坑道口或向坑道內投擲毒氣彈等殘暴手段進行圍攻。我堅守坑道部隊在極端困難的條件下，高度發揮不畏艱難、不怕犧牲的革命精神，團結壹致，積極作戰。戰役中，第15軍有16個連隊的人員在表面陣地失守後退入壹個坑道。洞內空氣汙濁、缺糧、缺彈，尤其是缺水。洞內人員在建制已被打亂，傷員又占多數的情況下，組織了臨時黨支部和黨小組，克服了常人難以忍受的困難，直至最後勝利。
從10月21日至29日，我堅守坑道部隊***組織班、組兵力，以夜襲手段出擊158次，除9次未能奏效外，其余均獲成功，***計殲敵2000余人，並恢復了7處陣地。。同時，坑道部隊還采取冷槍狙擊的戰術大量消滅敵人。在此期間，我二線部隊為了支援坑道部隊作戰，曾以兩個班至五個連的兵力，在炮兵和堅守坑道部隊配合下，向597.9高地反擊五次，向537.7高地北山反擊七次。同時第15軍抽調戰鬥部隊和各師團機關人員組織火線運輸人員，冒著炮火封鎖通過數十裏山路向坑道提供物資補給。
為了直接配合坑道作戰和進行反擊準備，第15軍以第29師和第44師先後攻殲了上甘嶺以西柏德裏東山和平康以南萬淵裏地區之381高地、391高地之敵，***殲敵3000余人。
我軍在堅持坑道作戰的同時，緊張地進行對敵實施決定性反擊的準備工作。10月20日，第3兵團決定將從壹線陣地撤出、正準備休整的第12軍調往五聖山地區作為戰役預備隊，同時以第15軍29師接替第45師除597.9高地和537.7高地以外的全部防務，以使第45師全力投入上甘嶺作戰。另將炮7師壹個營、炮2師四個連和高射炮兵壹個團加強給第15軍。同時還給第45師補充了1200余名新兵。
10月29日，我軍實施決定性反擊的準備工作就緒，並已進行了兩天的預先火力準備，將敵占表面陣地工事基本摧毀。
10月30日戰役終於進入第三階段。當日21時，第15軍以第45師五個連、第29師兩個連與堅守坑道部隊配合，在山、野、榴炮50門、火箭炮24門、迫擊炮30門的支援下，開始對597.9高地之敵實施反擊。堅守坑道部隊三個連首先對敵發起沖擊，隨即坑道外部隊七個連進入戰鬥，對敵實施兩面夾擊。經五小時激戰，全殲守敵四個連，並打退敵壹個營的多次反撲。至31日夜，除1個班陣地外，597.9高地全部為我收復。
11月1日，敵人又發動六個營的兵力向我597.9高地沖擊十四次，我堅守部隊在縱深炮火支援下，均將敵擊退，斃傷敵1500余人。當日晚，我預備隊第12軍第31師第91團投入戰鬥，並增調9個炮兵連參戰（支援火炮達到了21個連73門，另火箭炮6個連24門）。次後2日～5日，敵人集中美7師、空降187團各壹部以及韓國第9師和哥倫比亞營，每日均以壹個營至壹個團的兵力連續攻擊。5日，第12均93團壹個營投入戰鬥，同第91團最後粉碎了敵人的進攻，鞏固了597.9高地的陣地。此次作戰，我軍***殲敵6000余人。
我軍收復597.9高地後，隨即準備反擊537.7高地北山之敵。至11月10日，敵全部占領該高地表面陣地，據守之敵為韓2師的壹個營。
11月11日16時25分，我第31師第92團兩個連在山、野、榴炮70門、迫擊炮20門和火箭炮24門的直接支援下，分兩路發起沖擊。激戰至17時，奪回了537.7高地北山陣地，全殲守敵。同時，第93團以壹部兵力收復了我原放棄的597.9高地的壹個班陣地。
12日，敵人以壹個團的兵力向537.7高地北山發起反撲。我軍與敵人展開激烈的陣地爭奪戰，每天都要打退敵人數十次進攻。14日，第93團主力加入戰鬥。18日，第34師106團加入戰鬥。經過激戰至25日，我終於打退了敵人瘋狂反撲，鞏固了537.7高地北山陣地。此時，敵人由於傷亡慘重，被迫將韓2師緩和美7師撤下整補，該兩師防務由韓9師和美25師接替。隨即，敵人的進攻基本停止。上甘嶺戰役以我軍的完全勝利而告結束。
上甘嶺防禦戰役***歷時43天，敵我雙方在不足四平方公裏的狹小地區，均投入大量兵力、火力，進行了持久的反復爭奪，戰鬥激烈程度前所罕見。
敵人先後投入進攻的兵力有：美7師、美空降187團（欠壹個營）、韓2師（四個團欠壹個營）、韓9師以及埃塞俄比亞營、哥倫比亞營，***11個團兩個營（戰役中並補充新兵9000余人），另有1個炮兵營105mm口徑以上火炮300余門，坦克170余輛，出動飛機3000余架次，總兵力6萬余人。
我軍在戰役中出動部隊有：第15軍之第45師、第29師，第12軍之第31師及第34師1個團，榴彈炮兵第2、第7師，火箭炮兵第209團，第60軍炮兵團，高射炮兵第601、第610團各壹部，***山、野、榴炮115門，火箭炮24門，高射炮47門，另有工兵第22團第3營、擔架營，總兵力約四萬余人。
戰役中敵人***發射炮彈190萬發，投擲炸彈5000余枚，我兩個高地的土石被炸松壹至兩米。我方發射炮彈40余萬發，亦屬空前。該戰役的炮兵火力密度，已經超過了第二次世界大戰。
是役，我軍***斃傷俘敵2.5萬余人，我軍傷亡1.15萬余人，敵我傷亡比例2.21：1。我軍擊落擊傷敵機270余架，擊毀擊傷敵大口徑炮61門、坦克14輛。據敵方自稱，戰役中其物資損失僅僅次於1950年全年的消耗。
美國新聞界評論說：“這次戰役實際上卻變成了朝鮮戰爭中的‘凡爾登’”，“既是用原子彈野不能把狙擊兵嶺（537.7高地北山）和爸爸山（五聖山）上***軍部隊全部消滅”