志願軍和人民軍第一階段的戰術反擊作戰，使得聯合國軍頗受震動。9月24日，聯合國軍總司令克拉克親臨朝鮮前線，召開戰地司令官會議，研討最新的戰場形勢及其對策。
9月底，聯合國軍將預備隊美第45師和韓第1師前調，分別接替韓第8師和美第3師的防務，整個戰場部署基本無變化。
志願軍則根據戰前計劃，於10月6日開始了第二階段戰術反擊作戰。這一階段作戰志願軍改變了第一階段各軍準備情況不同而沒有統一發起攻擊的作法，組織了1個團另13個連又23個排、35個班的兵力，在760門火炮的支援下，同時向聯合國軍防守的23個陣地發起攻擊。
第39軍對高陽垈北山、東北山、東山3個點，198.6高地，上浦防南山南無名高地，共5個陣地進行了攻擊，攻擊順利並擊退韓軍反撲，鞏固了陣地。
第12軍對慄洞東山、690東北1500米無名高地、座首洞南700米無名高地、官垈裡西1500米無名高地共4個陣地發起攻擊，全部攻克，並鞏固佔領了慄洞東山陣地。
第68軍對1089以北高地、883東山、西北山，938東北無名高地共4個陣地發起攻擊，均反擊成功，並鞏固佔領了1089以北高地。
第15軍對上佳山西北山、381東北無名高地、3998高地，第38軍對394高地和281高地，第40軍對鬆隅村北山、項洞裡西山、坪村南山、201西北山，第65軍對86.9高地等共10個陣地進行了攻擊，大部分攻擊順利，鞏固佔領了上佳山西北山、鬆隅村北山、項洞裡西山和86.高地4個陣地。
在志願軍於10月6日發起的所有反擊作戰中，規模最大、爭奪最激烈的是38軍反擊394高地和281高地的戰鬥。
這兩個高地是聯合國軍在鐵原西北的前哨陣地，是其在驛谷川北岸的橋頭堡。其中394高地（美韓軍稱之爲白馬高地）以東是鐵原平原，南面有通往漢城的主要補給線。聯合國軍如果失去394高地，在鐵原就很難立足。281高地位於394高地西側，建有坑道和鋼筋水泥地堡羣，與394高地遙相呼應。這兩個高地既是聯合國軍發動進攻的依託，又是志願軍進攻的障礙，因此其中防禦工事都相當牢固。
守衛這兩個高地的是韓軍第9師，其中394高地爲2個營，281高地爲2個連。
10月3日，38軍一文化教員叛變投敵，韓9師從其口供中得知了38軍發起攻擊的時間和方向，便事先做好了準備，增調1個團另1個營爲預備隊，並得到了美第9軍3個美國炮兵營、1個韓軍炮兵營和1個坦克連的支援。
10月6日晚，志願軍第38軍攻擊計劃沒有改變，以第114師6個連另2個排，在山炮野炮榴彈炮共117門、自動推進炮4門、坦克8輛的支援下，分5路向394高地發起攻擊。同時，以第113師3個連另1個排在15個炮兵連的支援下，向281高地發起攻擊。
攻擊394.8高地的部隊，遭到做好準備、以逸待勞守軍的頑強抵抗，傷亡過大，攻擊相當不順利。此後，第38軍又先後投入了第114師3個營和2個連的兵力，直戰至8日凌晨1時27分才攻佔主峰，殲滅韓第9師第30團大部。此後，雙方在此展開激烈爭奪，韓第9師將其3個團全部投入戰鬥，並得到了美國空軍和強大地面炮火的支援（據統計，僅美第5航空隊即出動戰鬥轟炸機749架次，發射火箭彈750枚，炸彈2700枚、凝固汽油彈358枚；美第9軍支援炮火即發射炮彈18萬發）。戰鬥極爲慘烈，形成山頭拉鋸戰，主峰陣地多次易手。
戰至10月14日，志願軍第38軍已使用5個多團的兵力，而且第二梯隊已全部用完，不得不於10月15日凌晨撤出戰鬥。此次戰鬥，志願軍第38軍與韓第9師在該處爭奪8天9夜，雙方損失都極爲慘重：韓第9師損失3500餘人（美軍戰史公佈數字）、飛機58架、坦克5輛，但38軍更是傷亡達5372人（亡1748人，傷3062人，失蹤562人）。
攻擊281高地的戰鬥也打得很不順利，10月6日至7日，第38軍陸續投入6個步兵連、2個機槍連，但沒能奪取目標。爲配合反擊以上兩個高地，38軍派出5個排攻擊鳳樹洞北山，全殲荷蘭營1個排。
至此，志願軍10月6晚發起的針對聯合國軍2個營以下兵力防守的23個陣地的攻擊，除上述兩個陣地失利外，其餘21個陣地全部攻克。
10月7日至21日，志願軍第65軍、第15軍、第12軍、第68軍又先後反擊了聯合國軍11處陣地，其中7處反擊成功，4處反擊失利。英雄邱少雲就犧牲在第15軍攻擊391高地的戰鬥中。
至21日，原本計劃的第二階段反擊作戰已結束，但由於10月14日聯合國軍向上甘嶺地區發起“金化攻勢”，爲配合上甘嶺地區的防禦作戰，中朝聯軍指揮部決定將戰術反擊延續到10月底。
從10月23日到31日，志願軍第39軍對高旺山西及西北山腿等4個陣地，第12軍對690北無名高地、方坪裡東北山、科湖裡東南山、6901西北山、方坪裡東偏北無名高地、746南山棱線等7個陣地，第40軍對坪村南第一、第二無名高地兩個陣地，第15軍對381東北無名高地、391南峰、275東無名高地3個陣地，第38軍對198.3高地，第65軍對29.5高地、45.4高地、50高地、七井洞南山4個陣地，進行了反擊。除個別目標反擊未成功外，大部分目標都被攻克，全殲守敵。至10月31日，志願軍全線性戰術反擊勝利結束。
從10月6日至31日的第二階段反擊作戰，志願軍共對聯合國軍48個目標攻擊58次，其中美軍防守的9處，法國、荷蘭、加拿大防守的3處，韓軍防守的36處，鞏固陣地11處。
據不完全統計，在整個秋季反擊作戰期間，志願軍和人民軍先後對聯合國軍連、排防禦陣地和個別營防禦陣地共60個目標反擊77次（其中人民軍對3個目標反擊3次），打退聯合國軍排以上的兵力反撲480餘次。經過反覆爭奪，鞏固佔領陣地17個，斃傷俘敵27000餘人（中國方面統計數字），志願軍損失10700餘人，雙方戰損比5:2。