10月6日，志愿军和人民军乘势发起第二阶段反击作战，志愿军第一线7个军组织力量，在760门火炮支援下，在180公里的正面上，同时向“联合国军”防守的23处阵地发起攻击。各突击部队在炮兵部队和坦克部队的配合下，迅速勇猛地突入阵地，先后占领阵地21处，其中除两处阵地之敌因为惧怕被歼而先逃窜外，有16处阵地的守敌全部被歼，有3处阵地的守敌大部被歼。接着，在志愿军攻占的6座重要山头阵地上展开激烈的争夺战，其中铁原西北和金城东南地区争夺战尤为激烈。
铁原西北的白马山，是南朝鲜军第9师防守的一个重要阵地，该师在此构筑了许多大小地堡，各地堡之间均以交通沟、堑壕相连接，山上还有许多地雷和陷阱，南朝鲜军吹嘘这座山是“钢铁阵地”。南朝鲜军第9师派遣两个步兵营防守该高地的第一线区域，一个步兵团加强一个营的力量为预备队。
在白马山的两侧，配备了坦克和高射炮，准备夹击通向山谷的道路。
10月6日晚，志愿军第38军的突击部队在猛烈炮火支援下，向白马山发起攻击，于当夜突破了南朝鲜军前沿阵地，并占领白马山主峰394.8高地以北的几个山头，守敌大部被歼。
这时，南朝鲜军第9师派出一个团前来增援，企图守住主峰阵地。第38军突击部队又在猛烈炮火配合下强攻主峰，战至8日1时27分攻占主峰，歼灭南朝鲜军第9师第30团大部。
南朝鲜第9师丢失主峰阵地后，先后将其3个团全部投入战斗，“联合国军”空军和强大炮火给南朝鲜军第9师提供支援，用100多门火炮、10余架飞机向主峰狂轰滥炸。
为了巩固阵地，第38军又陆续投入4个团的兵力，在394.8高地及其附近山岭上与南朝鲜军进行激烈的争夺战，主峰阵地多次易手。战至14日，志愿军第38军为了避免增大伤亡，将部队撤出战斗返回原阵地，第38军在这次反击战斗中，共歼敌9600余人。
金城东南的栗洞东山，是南朝鲜军首都师机甲团的一个重要阵地。志愿军第12军第35师第103团以两个连组成一支精干的突击分队，向栗洞东山发起猛烈的攻击，经一夜激战，于10月7日晨将守敌3个排和1个营全部歼灭，占领了阵地。然后，在3天之内打退敌人一个排到一个营兵力的反扑21次，歼敌900余人。
10月21日，志愿军司令部致电各兵团各军：
本部九月十四日发布自九月二十日至十月二十日的战术反击令，经一月来第一线各军积极作战，已给美伪军以重大打击，我军已在反击中取得很多经验。目前预定秋季接防各军均已开进，敌人经此次打击后，也可能举行报复，为按预定步骤交接防务，迅速完成秋季防寒准备工作，并准备打击敌人可能的报复，即自十月二十二日起，转入正常积极防御作战。
原本第二阶段战术反击已结束，但由于10月14日“联合国军”向上甘岭地区发起“金化攻势”，争夺日趋激烈。为配合上甘岭地区的防御作战，志愿军首长决定战术反击延续到10月底。
志愿军全线战术反击作战从9月18日开始，至10月31日结束，历时44天，先后对“联合国军”营以下兵力防守的60个阵地攻击77次，共歼敌27000余人，几乎是攻则必克，攻则必歼。“联合国军”在全线处于被动挨打的状态。
在10月中旬至11月下旬的上甘岭战役中，志愿军利用以坑道为骨干的坚固阵地，坚强地抗击“联合国军”优势的炮兵和航空兵的突击。志愿军在表面阵地丟失的情况下，坚守坑道斗争。经过与敌争夺43天，歼敌25000余人，全部恢复阵地，创造了世界战争史上坚守防御的典范，进一步取得了依托坑道阵地对具有现代化技术装备之敌实施阵地进攻和进行坚守防御的作战经验。
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