在志愿军第五次战役第一阶段进攻的打击下，联合国军节节后撤，在汉城、杨平、洪川、襄阳一线构成新的防线，其中，
西线美英军主力在水原、杨平、洪川线以北集结，以美骑兵第1师、美第24师、美第25师、美第3师、英第28旅、英第29旅、土耳其旅、韩第1师在汉城周围及汉江南岸地区重兵布防
东线自隐里至东海岸一线地区，则均是韩国部队。
联合国军的整个战线形成由西南向东北的斜线态势，东线韩军态势明显突出。
为了继续歼灭联合国军有生力量，多歼灭韩军部队，以孤立、分散美军，我志愿军在4月28日决定，志愿军主力转兵东进，以歼击东线韩国部队为主要目标，发起第五次战役第二阶段作战。
同日，令志愿军第3兵团、第9兵团，稍事整补后隐蔽东移，协同东线朝鲜人民军部队，在杨口、麟蹄一线发动新的进攻，以歼灭韩国两三个师及美第7师一部。
令志愿军第39军主力南渡昭阳江，进至春川、洪川间，掩护第3、第9兵团东移。
令朝鲜人民军第1军团在汉江下游(汉城以西)、
令志愿军第19兵团在汉城以东实施渡江佯动，造成进攻汉城的假象。
5月6日，中朝联合司令部下达第五次战役第二阶段作战预令，决定集中力量歼灭县里地区的韩第3、第5、第9师，然后视情况继歼韩首都师、第11师。具体部署：
志愿军第3兵团(欠第12军，附第39军2个师)以第39军的2个师夹昭阳江南北岸，由龙沼项至加平地区，掩护第3兵团、第9兵团东移，在加平地区积极准备渡河材料，力争控制桥头阵地，迷惑吸引当前美军；
以第3兵团主力一部由正面抓住美第2、第7师，力求集中绝对优势力量，消灭一部；
另以一部与志愿军第9兵团并肩攻歼沿途敌人，割裂美军和韩军的联系，阻击美第10军东援。
志愿军第9兵团(欠第26军，附第3兵团第12军)，以1个军由栗门里、大同里、下村渡昭阳江，首先攻歼在论里的敌人，然后猛插美山里、医站、坊内里，由西南向东北协同朝鲜人民军第3军团攻歼县里地区。
朝鲜人民军前线指挥部所属第3军团留1个师在麟蹄东西地区正面钳制南朝鲜军，主力首先在军粮里、贵屯里、五祚洞突破，然后插向芳东里、大小开仁里、坊内里，由东及东南向西北配合志愿军第9兵团攻歼县里及以南地区；
朝鲜人民军第5军团首先在马山里突破，然后主力寻捷径猛插束沙里、下珍富里、长坪里，切断县里韩军退路，截歼南逃或东逃的敌人。
志愿军第19兵团(附朝鲜人民军第1军团)在高阳经议政府至清平川的正面内寻找两三个目标(每点一个营左右)，集中绝对优势兵力和炮火，将其彻底消灭，以积极钳住美主力在西线。
中朝联合司令部同时决定：
各部在10日前带足粮弹，在9日或10日夜间向攻击准备位置开进，限14日拂晓前集结完毕，预定15日或16日黄昏开始攻击。
朝鲜人民军前线指挥部根据部队的实际情况，建议将担负海防任务的朝鲜第2军团调赴前线，参加第二阶段进攻作战。中朝联合司令部批准这建议，决定以志愿军第20军特务团接替朝鲜人民军第2军团防务。
根据中朝联合司令部的指示，5月8日和9日，志愿军第9兵团和东线朝鲜人民军前线指挥部，在第9兵团指挥部驻地召开了联合作战会议，本次歼灭县里地区韩第3、第5、第7、第9等四个师的最基本的关键是决定于各部队能否按时插断敌人的一切退路，切实堵住敌人。
本次作战具体部署：
志愿军第9兵团(欠第26军，附第12军)，配属炮兵第25、第26、第11、第28团，为主要突击集团。
志愿军第12军以主力由勿老里、三街里段向东南方向突击，歼灭踏凤里地区的韩第5师，以一个加强师向长水院、长坪里、束沙里方向进行战役迂回，与朝鲜人民军第2军团合钳，阻敌向南和向东南逃窜。
志愿军第27军在于论里、阴阳里间突破，首先以有力一部迅速抢占砧桥、梨岘地域内之要点，与朝鲜人民军第2军团在长津坪合钳，截歼敌人南逃；军主力攻歼上南里、坊内里地区的韩第7师，另以一部配合第12军攻歼韩第5师。
志愿军第20军在富坪里、达稳里间突破，首先以有力一部迅速向东南插进，抢占后坪里、美山里附近要点，与朝鲜人民军第5军团合钳，截敌南逃；军主力迅速割裂韩第7、第9师的联系，向县里方向突击，在朝鲜人民军第5军团协同下歼灭县里地区的韩第9、第3师，另以一部配合志愿军第27军攻歼上南里地区的韩第7师。
朝鲜人民军第5军团(附第3军团第1师)从军粮田、贵屯里、五柞洞韩第3师翼侧突破，以有力一部猛插镇东里(县里东南)、旺盛谷，与志愿军第20军合钳；主力由番伊垡、大鹤洞向县里方向突击，协同第20军歼灭县里地区的敌人。
朝鲜人民军第2军团由马山里及其以西的韩首都师与韩第3师接合部突破，以1个师向南猛插，抢占束沙里，与志愿军第12军合钳，并适时围歼下珍富里地区之敌；军团主力抢占桂芳山、苍村里、长津坪诸要点，与志愿军第27军在坊内里、梨岘合钳，截歼南逃的敌人。
朝鲜人民军第3军团(欠第1师)尾第2军团之后迅速抢占寒溪岭、望对岩山、琉璃峰、西林里地区，堵截县里地区和由襄阳西援的敌人，保障翼侧安全。
联合作战会议同时决定，整个县里地区的围歼作战，由志愿军第9兵团司令兼政委宋时轮、副司令陶勇和朝鲜人民军前线指挥部司令金雄共同指挥。
同时，志愿军第3兵团也在与第9兵团首长，在5月12日确定了本兵团作战部署：
志愿军第3兵团(欠第12军)附第39军2个师，配属炮兵第29、第30团各1个营和防坦克歼击炮兵第402团，担负割裂西线美军与东线韩国部队，保障东线作战的任务。该兵团的部署：
志愿军第15军以1个师由坪村里、上杰里突破，继而向敌纵深突击，割裂美陆战第1师与美第2师之间的联系，阻止美陆战第1师东援；军主力分两路，一路沿坪村里、沙五郎峙向大巨里，一路由勿老里、葛谷向三年洞，钳形割裂吕杰里、板项里、加山里地区之美第2师第9团和第23团，集中力量歼灭美第9团，然后钳击九成浦里的美第2师师部，力求歼灭美第2师一部。
志愿军第60军在楸谷里至大龙山地段钳制美第10军，以1个师以积极的行动吸住美陆战第1师，稳步向盘谷里移动伸进，如敌后退，则直插阳德院里，断敌退路；军主力在进攻发起后，进至春川以东的水口洞及其东南地区，随时准备投入战斗，协同志愿军第15军歼灭被割裂的敌人。
志愿军第39军坚守昭阳江南岸的水口洞、内坪里、大同里一线阵地，掩护志愿军主力东移和第3兵团主力进入攻击准备位置。第39军在春川地域集结，为兵团预备队。
5月9日，第19兵团方面下达作战部署：
志愿军第63军进至加平西北地区集结，战役发起时向清平川及其以北地区选择一两个目标(每点1个营左右)，集中绝对优势兵力，歼灭韩第6师2至4个营，如敌全线溃退，即由清平川及其西南沙器幕渡江直插颌平里向原州方向扩张战果；
志愿军第64军进至抱川东北机山南北地区集结，战役发起时向磨石隅里及其以北地区，选择一两个目标(每点1个营左右)，集中绝对优势兵力，歼灭美第24师2至4个营，如敌全线溃退，即由磨石隅里以东的外水入里及下三峰渡江，以杨平为目标向东南猛插；
志愿军第65军在现地向东北扩展，进至抱川地区集结，战役发起时除以1个师留于正面钳制敌人外，主力由抱川东西地区直插内阁里抓住敌人，以有力一部迂回至侧后求得围歼其一股，如敌溃退，即由两水里及其以西地区渡过汉江，主力直插水原，另以1个师向仁川攻击前进。
朝鲜人民军第1军团在现地向东扩展，与志愿军第65军相接，战役发起后可自行选择一至两个目标，集中优势兵力，歼灭韩第1师1至3个营，如敌向南溃退则进占汉城，且担任汉城警备。
5月9日，志愿军主力开始东移。
西线志愿军第19兵团和朝鲜人民军第1军团开始在汉城方向和汉江北岸实施佯动，展开了积极的战斗活动，不断袭击敌人。
5月10日，志愿军第65军以1个连攻占天宝山及其附近高地，并坚守阵地3天，打退了美军的多次进攻，守住了阵地。
志愿军第39军在昭阳江南岸地区作战。
同时，志愿军第19兵团和朝鲜人民军第1军团开始在汉城正面集结兵力。
5月13日，志愿军第63军进至清平川、永阳里线以北的赤木里地区，第64军进到抱川东北机山里地区。
到5月16日，西线志愿军第64军的第191师主力进至磨石隅里，以1个加强营进至梧山洞(富坪里南)，第190师以1个加强营进至外坊里(清平川以西20余里)；
志愿军第65军以1个营向水落山、国赐峰(议政府东南10余里)攻进；
志愿军第63军第188师消灭了清平川的敌人，夺桥渡江占领桥头阵地，第187师攻歼上泉里之敌。
志愿军第19兵团和朝鲜人民军第1军团还在清平川、磨石隅里及汉城以西，公开调查汉江以南兵要地志，摆出迂回汉城及渡江南进的姿态。
朝鲜人民军第1军团并以一部在汉城以西渡江。
志愿军在西线的作战行动，迷惑了美军。当时，范佛里特正筹划一场大规模的攻势，企图再次占领“堪萨斯线”，攻占铁原、金化、平康“铁三角”地区。
5月12日，联合国军总司令李奇微根据空中侦察和地面战斗的报告，判断中国和朝鲜军队随时可能发起新的进攻。因此，训令范佛里特，第8集团军无限期推迟进攻行动，全线转入防御。
李奇微认为汉城面临着第二次危机。他判断，志愿军和朝鲜人民军可能以志愿军5个军为主要攻击力量，在中西部战线发动新的进攻，目标直指汉江下游地区。同时以志愿军3个军和人民军1个军团在汉城方向实施助攻。他同时还判断，志愿军和人民军可能以5个军在东部战线向春川、洪川一线实施小规模的进攻。
因此，美第8集团军调整部署，将主要防御力量集中在西线和中线地区，并将美第7师西调北汉江以东楸谷里、龙头里地区，将预备队韩第2师北调禾也山、鼎排地区，增强了中部战线的兵力，美军基本布防：
西线，由勿老里(自隐里西北)经原昌里、九岩里、高阳至西海岸地区，集中美军6个师，英军、土耳其军2个旅，南韩3个师，以汉城为重点，成一线密集配置。
东线，由勿老里经富坪里、寒溪岭、龙浦里至东海岸，部署有南韩6个师，也成一线配置。
美第3师、英第29旅、美空降第187团，为美第8集团军预备队，分别置在西线京安里、永登浦、金浦地区。
志愿军第3兵团和第9兵团经10天整补，从5月9日开始，在第39军掩护下挥师东进。
至15日，志愿军突击集团各部队相继隐蔽地进入春川至兰田里(麟蹄西南)间的北汉江、昭阳江两岸地区；
朝鲜人民军第2、第3、第5军团同时进至麟蹄及其以东地区。
各部队均按时完成了战役展开和进攻准备工作。
此时，志愿军和朝鲜人民军在东线的基本攻击态势：
志愿军第3兵团指挥的第60军在沐洞里地区，第15军在春川西北地区；
志愿军第9兵团指挥的第12军在春川、内平里、芝村里以东地区，第27军在九万里、桃村里地区，第20军在林唐里、兰田里地区；
朝鲜人民军前线指挥部所属人民军第2、第3、第5军团在麟蹄及其以东地区。
中朝联合司令部决定：第五次战役第二阶段进攻在5月16日18时开始。
5月16日18时，在经过短暂的炮火准备之后，东线志愿军和朝鲜人民军各突击集团按预定计划全线发起进攻。
担负县里地区作战主要突击任务的志愿军第9兵团，攻击开始后，各军按照预定计划，奋勇前进，很快突破敌军一线阵地，向敌纵深展开猛烈穿插。
志愿军第20军在16日24时由九万里以东宽15公里的地段上，强渡昭阳江，多路突破敌军防线，迅速攻占富坪里一线韩第7师第8团阵地，打开突破口，立即向纵深发展进攻。
志愿军第60师先头第178团边打边进，迅速向纵深勇猛穿插，沿途击溃和歼灭多股敌人，在17日7时，突入纵深25公里，抢占了后坪里、五马峙。该师主力随后跟进，在17日按时进至后坪里、美山里、旺盛谷地区，切断了县里地区韩第3、第9师南逃退路。
志愿军第20军第58师突破昭阳江后，向敌纵深突击，其先头第173团在18日1时完全占领龙浦公路以西一线高地，控制了龙浦公路，并与朝鲜人民军第5军团第6师合钳，构成了对县里地区的正面合围。
志愿军第27军在16日23时由九万里、苍幕洞突破，在17日3时进占桃水庵、美也洞、院巨里一线，一部攻占了于论里附近地区。第81师担任迂回穿插任务，师长兼政委孙端夫亲自指挥穿插营第242团第2营作战。经大小战斗18次，9个小时前进60多公里，在17日5时突入敌纵深28公里，提前40分钟抢占岩达洞公路两侧高地和砧桥、坊内里诸要点，切断了县里的敌人西南退路。
志愿军第242团第2营刚刚进入阵地，韩第9师第30团南撤部队即已到达，志愿军该营突然对敌展开攻击，将敌人车队打乱，迫使敌狼狈缩回县里。
志愿军第242团主力紧随第2营前进，也在17日12时到达砧桥、岩达洞地区。
志愿军第27军第79师强渡昭阳江，首先攻占玉山洞，随即向南攻击前进，先后在甲屯里、直洞、所峙里、金富里等地歼敌多部，并在所峙里击溃韩国军队一部，在金富里东南歼灭南撤的韩第7师第8团第3营，在18日进至所峙里、后坪里、直洞地区。该军预备队第80师也进至于论里附近地区。
至此，志愿军第27军已突入敌军纵深20余公里，切断了敌人在县里西南的退路，构成了正面合围县里地区，会同志愿军第20军第60师部队在上南里地区全歼南韩5个营(3000余人)。
志愿军第12军突破后，主力在三巨里歼灭韩第5师一部，后在自隐里北侧与美第2师及法国营展开激战，前进受阻。经过连续4次猛攻，才突破加里山敌军阵地，歼敌2个营大部。此后，在向纵深发展时，又遭到敌军的顽强阻击，激战一日，攻占扇坪。
志愿军第12军担任迂回任务的第31师主力被敌阻隔，至18日方进至丰岩里以北及月隐洞地区，只有1个团从敌左翼绕道插入敌纵深，在18日拂晓攻占长水院，因而未能按时达到向丰岩里、束沙里迁回的目的。
朝鲜人民军第5军团突破后，动作迅速，特别是第6师第1团在17日晨攻占县里以北的贵屯里，随后坚持白天行进，在13时30分插至铁东里南山，切断了县里的敌人东南退路，与志愿军第20军在正面合钳合围县里的敌人。
朝鲜人民军第2军团战役发起后，因行动困难，受阻在雪岳山地区，未能完成与志愿军第27军合钳的任务。
朝鲜人民军第3军团(欠第1师)因第2军团受阻，改尾随第5军团进入战斗，进占望对岩山、琉璃峰、西林里地区。
战至5月17日晚，志愿军和人民军已经完成对县里地区分割穿插，切断了敌退路，完成对敌的内层包围，但尚未完成对该敌的外层包围。
18日晨，县里地区的韩第3、第9师开始分经龙浦、芳东里、镇东里向南及东南方向突围。
志愿军第20军和朝鲜人民军第5军团部队，根据预定部署，立即分从东西两面出击，对逃敌展开进攻。
战至19日，韩第3、第9师大部被歼灭在县里及其以南地区，志愿军和朝鲜人民军缴获了该两师的全部重装备。
县里围歼战胜利结束。残敌溃散在山林之中，志愿军和人民军部队当即展开搜剿作战。
在志愿军和人民军围歼县里地区南朝鲜军时，韩第5、第7师残部已在18日逃至洪川东北的柳洞里地区；靠东海岸的韩首都师、第11师南撤退至注文津、江陵地区。
19日，志愿军和朝鲜人民军继续发展进攻，对丰岩里、下珍富里地区展开围歼作战。同时第60军第181师在松谷台山方向投入战斗，归志愿军第12军指挥。
战至19日，志愿军第12军主力前出至踏枫里、新村地区，第181师也进至上下莲洞地区，但未能大量歼灭敌人。
担负迂回任务的第12军第31师主力在20日黄昏前全部进至束沙里以北地区，其第91团在20日晨前出到束沙里南的三巨里、兄弟峰。
志愿军第27军在20日占领讷言里、判宫垡、苍村里地区，并歼敌一部，1个团前出到束沙里。
朝鲜人民军第5军团占领广院里、清道里地区，一部前出到下珍富里以北皮木亭，歼韩第3师残部700余人。
朝鲜人民军第3军团在21日收复襄阳。
同时，中线和西线的志愿军部队也展开了进攻。
中线，志愿军第3兵团第15军发起进攻后，至17日晨攻占沙五郎峙、双德洞、古约洞及三年洞等地，歼美第2师一部。
18日攻占板项里、大水洞及德田岘地区，并在大水洞将美第2师第38团团部及第1、第2营大部歼灭。
因美第2师与陆战第1师在寒溪里、也是垡里、都十里等地顽抗，志愿军第15军前进受阻，未能进一步实现战役割裂任务。
志愿军第3兵团当即令第60军第179师机动至春川以东地区，增强第15军方向上的突击力量，歼灭寒溪里及其以东的敌人。因敌主力已经靠拢，也没有实现。
第60军第180师攻击前进，在16日夜攻占汗谷、塔洞、鸠岩里一线，在19日攻占洪川江以北法所里地区，牵制了美第7师，使其不得东援。
在西线，志愿军第19兵团和人民军第1军团也对敌展开攻击，牵制西线美英军主力，保障东线作战。
5月16日，志愿军第19兵团以4个师兵力，分别向高阳、道峰里、退溪院里、金谷里、磨石隅里、清平川、上泉里之敌发起进攻，在17日歼敌一部并攻占上述各地。
18日4时，志愿军第63军南渡北汉江，占领通方山、罗山、凤尾山、508.7高地。在抗击敌人反击中，歼灭美军1个营和南韩3个连的大部。
在东线的韩国军队在志愿军和朝鲜人民军的猛烈突击下，撤至九成浦里、丰岩里、苍村里、下珍富里、铁甲岭、仁邱里地区。
随后美第8集团军紧急调整部署，范佛里特令美第10军以主力沿战线向洪川、清凉里逐次东移，阻止志愿军和朝鲜人民军向西发展进攻，屏护美英军主力的右翼安全；
令在汉城东南京安里的集团军预备队美第3师迅速东援，堵塞战役缺口；
令韩国战略预备队第8师立即北上，增援东线，稳固防线。
同时命令美第1军3个师加3个旅在西线向志愿军第19兵团展开进攻，以减轻东线压力，牵制中国和朝鲜军队的进攻。
5月19日和20日，美第3师部队先后进至丰岩里、下珍富里，堵塞了战役缺口，增强了该地区的防御力量。
韩第8师由大田北上，进入平昌、堤川一线，构成了纵深防线。
经此部署调整和增援，美第8集团军重新形成了东西相接的完整防线。
这时，志愿军和朝鲜人民军的基本战场态势：
在东线，志愿军第27军和第12军正向丰岩里攻击中，
朝鲜人民军第2、第5军团正向下珍富里前进中，
志愿军第20军仍位县里、苍村里地区清剿残敌；
在中线，志愿军第15军与敌对峙在大水洞一线，第60军第181师配合第12军向丰岩里攻进，第179师接替115师大龙山、原昌里防务，第180师位九万里、君子里地区与敌对峙；
在西线，志愿军第19兵团已经转入防御，第63军正与由龙头里、杨平北援的敌人激战
志愿军第64、第65军及朝鲜人民军1军团仍与敌人对战在磨石隅里、内阁里、水落山、道峰山、老姑山、鹰峰一线。
志愿军和朝鲜人民军在一个月之内连续进行了两次作战，此时已相当疲劳，且粮弹将尽，有些部队已经断粮，加上雨季将近，此役未消灭美军师、团建制单位，敌还有北犯可能。在这种情况下，志愿军和人民军如继续前进，不仅不易消灭敌人，反而会增添困难，在5月21日，中朝联合司令部决定，停止进攻，结束第五次战役第二阶段作战。
此阶段作战，志愿军和人民军共歼敌2.3万余人，特别是在东线县里地区取得了歼灭韩第3、第9师大部，重创韩第5、第7师，并歼灭美第2师、美陆战第1师各一部。
5月21日，中朝联合司令部下达主力转移休整的具体部署：
志愿军第19兵团主力转移至渭川里、涟川以北地区休整，留1个军(或4个师)从议政府、清平川一线，利用东豆川、抱川、机山里线南北有利地形，采取纵深配备，阻击敌人。
朝鲜人民军第1军团主力转移至开城地区休整，留一部在汶山、坡州里以南阻敌。
志愿军第3兵团主力转移至铁原、金化地区休整，留1个军在加平、春川(不含)线开始布防，利用华川以北山区节节阻击敌人。该兵团与第19兵团的分界线为机山里、文岩里、汉滩川(铁原不含)，线以西(线上含)属第19兵团，以东属第3兵团。
志愿军第9兵团主力转移至华川、山阳里、金化(不含)以东地区休整，留1个师利用昭阳江及华川湖节节阻击敌人。该兵团与第3兵团的分界线为新延江、芝岩里、白积山、大成山、金化，线以西属第3兵团，以东(线上含)属第9兵团。
朝鲜人民军前线指挥部所属部队主力转移至麟蹄、杨口、襄阳一线及以北地区休整，以1~2个师在于论里、县里、西林里线及以南采取机动防御，阻击敌人。与志愿军第9兵团的分界线为大同里、四明山及北汉江，线以西(线上含)属第9兵团，以东属朝鲜人民军。
同时，美军方面
5月20日，李奇微判断中国和朝鲜军队此时战线已经拉的太长，指示美第8集团军向铁三角方向发起进攻，威胁志愿军和朝鲜人民军的后方主要补给线。
美各军的任务：
美第10军除阻止右翼的志愿军和朝鲜人民军进攻外，协同第9军右翼部队发起进攻，同时负责第9军右翼安全；
美第9军向春川盆地以西高地发起进攻，并攻占；
美第1军沿汉城—铁原轴线发起进攻，负责保障美第9军的左翼安全。
范佛里特随即下达作战命令，决定以美第1军、第9军和在第10军左翼的美陆战第1师，在5月20日发起进攻，向“托皮卡线”上的汶山里至春川一线推进。
在占领该线后，即兵分两路，向铁三角方向突击，其一路沿议政府通往金化的公路，攻占永平川河谷地区；
另一路则由春川沿公路北上，攻占在华川水库西岸的铁路枢纽站。
联合国军在反扑中共动用了14师又1个旅和2个团的兵力，另有3个师3个旅为预备队，具体部署：
在西线，美第1军指挥韩第1师、美骑兵第1师、美第25师、英第29旅，沿议政府—铁原轴线实施主要攻击；
土耳其旅和加拿大旅为预备队。
在中线和东线，美第9军指挥美第24师、韩第2师、韩第6师、美第7师，向春川、华川方向进攻；
美第10军指挥美陆战第1师和韩陆战第1团、美第2师、韩第7师、美第187空降团、美第3师、韩第8师，向麟蹄一杨口方向进攻；
英第28旅，及韩第5、第9师分别为中、东两线的预备队。
在东海岸，南韩第1军团指挥韩首都师、第11师沿东海岸北进，韩第3师为预备队。
自5月20日开始，美军由西而东逐次展开。首先，以美第1军指挥3个师1个旅在西线展开反扑。
5月23日晨开始，在中线以美第9军指挥4个师，在东线以美第10军指挥4个师加2个团展开反扑。
5月26日，东海岸以韩国第1军团指挥2个师展开反扑。
此时，志愿军第19兵团主力尚未开始向北转移。
22日晚，志愿军第19兵团主力开始北移，担负阻击掩护任务的第65军开始展开。第65军在金谷里、加郎山、跨岩岭、云岳山等地，与美英军部队展开激战。
在跨岩岭阻击战中，第577团3营9连，打退了敌军的轮番进攻，全连最后只剩下9人，仍像一颗钢钉，钉在跨岩岭上，被授予跨岩岭的钢钉奖旗。
在此期间，韩第1师向汶山和高阳地区反扑，突破朝鲜人民军第1军团阵地，占领高阳，进至马智里、斗浦里一线，朝鲜人民军部队在23日晚撤至临津江以北的汶山至高浪浦里一线。
志愿军第65军的右翼因此暴露。
在中线，5月23日，美第9军指挥的韩第6师、美第7师和美第10军指挥的美陆战第1师、美第2师，快速北上，进至春川以南和东南地区的加平、汗谷、正屏山、大龙山和自隐里以南的寒溪一线。
志愿军第60军原定展开在加平、苍洞里一线组织防御。
5月23日，第3兵团由于运输力缺乏，伤员转移缓慢，决定各部暂时不撤，在原地阻击，掩护伤员转移。
志愿军第60军所属的第179、第181师在战役第二阶段中分别配属第12军、第15军作战，尚未归建，此时在北汉江南岸地区只有第180师担负防御任务。
第60军本来计划以第180师在北汉江北岸春川西北地区组织防御，接到第3兵团命令后，第60军改变计划，以第180师在北汉江南岸的汗谷、正屏山地区，第179师在大龙山及其以东地区，抗击敌军的进攻。同时命令该两师在北汉江南岸的部队，争取5天的时间
此后，第179师、第181师虽然先后归建，投入防御作战，但该军未能根据敌情变化，及时调整部署，仍将3个师一线展开在30多公里的正面上阻击敌军，加上与友邻部队没有很好的协调，致使第60军未能进入原定防御地区，造成机山里至沐洞里段出现了空隙。
同时，该军右翼第63军1个师已在23日晚北移。这样，志愿军第3、第19兵团的接合部就出现了缺口。
美军特遣队乘隙而入，楔入了志愿军防线。
在东线，美第10军指挥的韩第7师、美第3师和韩第3、第1军团部队仍在整顿巩固防线，没有大的进攻动作。志愿军第9兵团主力和人民军前线指挥部所属部队按计划向北转移。
至5月23日晚，联合国军在西线和中线发起全线进攻，在若干地点突破志愿军和人民军防线。志愿军第3兵团和第19兵团接合部加平方向出现了缺口。
5月24日，联合国军继续北犯。
在加平方向进攻的美第24师特遣队已乘隙进占志愿军第180师右侧后的加平、济宁里、城隍堂一线，在志愿军第180师正面进攻的韩第6师已进占北汉江南岸的江村，控制了江村渡口，在春川方向进攻的美第7师特遣队已进占志愿军第180师左侧后的春川。志愿军第180师处于三面受敌背水作战的不利态势。
在这种情况下，第60军在24日11时30分致电第3兵团，提出两个方案：
第一，以第180师在北汉江南岸的部队实施小的反击，争取在24~25日两天时间内，保持现有阵地，25日晚主力转移到北汉江以北地区，第179师在昭阳江以南的部队亦同时北移到江北地区；
第二，以第179师由左翼协同第180师实行大的反击，以争取较长的时间，掩护兵团主力北移及伤员转移。
由于通信联络问题，直至5月25日18时50分，第3兵团才答复第60军：同意第60军提出的第一方案，并指示第60军军主力转至冠厅里、场岩里、史仓里地区进行短期休整。
此时，第60军鉴于第180师处境危险，已经在24日命令该师撤过北汉江，转至退洞里、三巨里地区，以摆脱不利态势。
第180师主力在24日晚开始渡江北移。
至25日拂晓，师主力撤至江北鸡冠山、北培山、上芳洞、明月里一线，但未能控制要点。
此时，美第24师和韩第6师各一部从西和南两个方向攻击鸡冠山阵地，志愿军第180师顽强阻击，经数小时激战，击退美第24师部队，但此后韩第6师攻占鸡冠山阵地。
在东线，美第2师、美第187空降团已经由洪川方向进至富坪里、九万里地区，美第187空降团一部并在九万里实施空降，企图截击志愿军部队。韩第5师主力则进至县里附近地区。
此时，志愿军第9兵团的第20军刚在24日晨转移至杨口、麟蹄之间地区，一部在富坪里以西的九万里，与进攻的美军展开激战。
志愿军第27军尚未开始转移，即被反扑美军插至纵深，隔阻在富坪里以南、洪川至麟蹄公路东西两侧桃木洞、玉山洞(路西)、鹫峰山及县里(路东)地区，无法进入指定的防御地区，担负沿昭阳江(新延江至东同里段)阻击敌军进攻的任务。
志愿军第27军第80师在24日午后西进至洪川、麟蹄公路时，正逢美第2师特遣队快速北进。
第80师立即展开部队，截断公路，阻击美军，将美军阻滞8个多小时，为主力部署防御和转移人员、物资争取了宝贵的时间。同时，第79师、第81师也与北进的美军展开了激战。
原配属志愿军第9兵团作战的第12军主力由丰岩里出发后，在24日转移至自隐里、于论里地区，尚未归建，即被反扑美军阻割在洪川至麟蹄公路以东。其第91团则被远隔在下珍富里以北三巨里地区。
截至5月24日晚，由于联合国军的反扑，志愿军和朝鲜人民军最初所确定的机动防御开始线未及形成，即被敌突入，在西线的加平和东线的麟蹄这两处被敌分割，形成了缺口，一时陷于被动。
25日，联合国军部队全部展开，多路继续向北进攻。
在西线，志愿军第65军在国赐峰阻击战中，第194师第580团1连坚守阵地6个小时，歼敌240余人。在加郎山阻击战中，第193师主力与敌激战4昼夜，出色地完成了阻击任务。25日晚，第65军除以一部在七峰山、海龙山继续阻敌外，主力撤至磨叉山、逍遥山、钟悬山、佛舞山一线，继续阻敌北进。26日夜，该军主力撤至汉滩川以北、涟川以南地区(即预定该军阻击地区的底线涟川至文岩里线)，因而未能完成在议政府至清平川地区阻敌15~20天的任务。
在中线，被隔断在敌后的志愿军第12军主力，在24日晚乘敌人先头部队向前推进的空隙，越过洪川至麟蹄公路，继续向华川、杨口方向转移。
5月25日，志愿军第60军决定，第180师继续北移至蒙德山、驾德山、退洞里以北一线高地继续阻击，同时令第179师第536团在春川以北梧口南里、马坪里占领阵地阻击由春川北进的美第7师，掩护第180师北移。
但此时第179师第536团已有2个营失去联络，加上第180师转移道路狭窄，需翻山越岭，自身尚有300多名伤员转运，行动迟缓，当夜未能到达指定地点。
美军和韩国军队从三个方向对志愿军第60军实施突击。
志愿军第60军令第181师和第179师主力转移至史仓里、滩甘里、马坪里地区，第180师与第179师第537团继续在阵地抗击敌军进攻。
战至25日黄昏，由西面江村里进攻的韩第6师占领志愿军第180师鸡冠山阵地，由城隍堂进攻的美第24师部队攻占志愿军180师阵地右侧后的间村，由春川方向进攻的美第7师占领志愿军第179师在西上里、退洞里的阵地，志愿军第180师被割在北培山、驾德山、梧月里地区。
在东线，志愿军第9兵团第27军继续在杨口、麟蹄以南的富坪里、县里地区英勇抗击敌军的进攻，掩护主力转移。
志愿军第80师判明敌军经榆村里迂回杨口，切断兵团主力向华川转移的道路企图后，以主力展开在水口洞至小雄津洞地区部署防御，坚决控制杨口以南华川公路，与北犯美军激战两日，保障了主力后撤通道的安全。随后迅速撤出阵地，安全转移至杨口以北的德巨里地区，在磨石峰至独谷南山之间地带占领阵地，构成了军第二道防线。
同时，美第187空降团在5月25日在阴阳里、富坪里地区继续实施空降，企图从南、北、西三面攻击，将志愿军第79师主力和第9兵团后方机关一部歼灭在昭阳江以南地区。
志愿军第79师以主力在桃水庵、所峙里、城隍堂地区阻敌，同时以第235团3营在加路里、冠垡里一带占领阵地，阻击美军保障麟蹄渡口安全。
25至26日，美军和韩军多路对志愿军第79师江南部队猛攻。为了牵制敌军，掩护主力转移，志愿军第79师未退后一步，守住了阵地。
同时，美第187空降团在大量坦克配合下，沿昭阳江岸猛攻志愿军第79师第235团3营阵地，企图切断志愿军第79师江南部队的退路。担负渡口守备任务的志愿军第235团3营坚守阵地。随后，志愿军第235团4连和第237团2连及时赶到，抢占要点，支援3营作战。
战至5月27日晚，志愿军第27军再次调整部署，令已转移至光珠天、松溪洞、月屯洞地区的第81师部队坚决扼守松亭里、西湖里地区各要点阵地，确保麟蹄以东渡口安全，同时令江南部队迅速撤过昭阳江。
27日晚，志愿军第79师主力撤出阵地，向东绕道渡江，顺利转移，同时，第81师第241团抢占了松亭里、泥坪里一带高地，并破坏公路、桥梁。
28日，美军地面部队在坦克、大炮密集火力的支援猛攻志愿军第241团阵地，并出动20余架飞机，轮番轰炸扫射，大量投掷凝固汽油弹。志愿军第241团胜利完成了掩护江南部队转移的任务。
此时美军进攻势态：美第1军向铁原方向，美第9军向金化方向，美第10军向杨口方向。
根据中朝联合司令部首长的指示，
第19兵团令第64军接替朝鲜人民军第1军团在汶山、高浪浦里、临津江北岸的防御任务，同时以1个师抢占开城西北的要点，坚守阵地
令第65军利用现有工事和有利地形，坚决阻敌进攻，争取时间；
令第63军即展开在涟川、文岩里、朔宁、铁原之间地区，屏护铁原地区。
第3兵团令第15军立即以有力的部队坚决控制永平东北之寺岘洞、角屹峰、山内岘线，构筑坚固工事，与锦幛山线第19兵团部队切实联系，并向加平方向派出侦察，准备在敌继续前进时，与第60军协同歼灭进犯之敌。同时，经与第9兵团协商，决定以第12军派部队担负寒溪以北至长水院地区的防御，至26日晚撤回。
第9兵团鉴于敌一部已经北渡昭阳江，向杨口方向推进，令第20军即以有力一部并组织炮火在新建里、新月里地带坚决阻敌前进，掩护第27军主力及第12军伤员转移；同时，根据与第3兵团协商，决定以第27军在长水院至苍村里地区担负掩护任务至26日晚。
但是由于部队正处在转移中，通信联络不畅，敌军空中、地面炮火封锁严密，掩护部队多与纠缠，难以迅速到达指定位置。
至26日，联合国军主力继续北进，志愿军部队在许多地区与美军呈插花状态。
在西线，韩第1师进占汶山，并越过临津江；
美第1军主力沿京义铁路两侧推进，已经进至绀岳山(东豆川里以西)、逍遥洞(东豆川里以北)、梁文里(永平东)以及机山里一线，并向志愿军第65军前沿阵地铜幕里、哨城里、钟悬山、艮子里进攻。
在东线，麟蹄、县里方向的联合国军部队被志愿军第27军所阻，无大进展。
在中线，却出现了极为严重的情况。
由加平、春川方向进攻的美军和韩军部队，兵分三路，向志愿军第60军阵地进攻，并突破了志愿军阵地，插至志愿军阵地背后。
志愿军第180师在芝岩里以南地区几乎完全被美军军包围。
第60军主力为接援第180师，已经无法执行在场岩里、国望峰、史仓里部署阻击的任务，志愿军司令部立即改令第15军负责该线防御，令其将防御地区西延至自逸里地区。
26日，从正面进攻的韩第6师进占鸡冠山后，继续向北推进；
由春川北进的美第7师突破志愿军第179师阵地，占领梧口南里、马坪里、方下桥(华川以南)，将志愿军第179师和第180师的联系完全割断，并继续向第180师侧后推进，前出至芝村里、滩甘里一线，截断了该师退路；
由左翼进攻的美第24师占领松亭里、滩甘里，在下午14时左右占领间村，第180师陷入被围状态。
26日16时30分，第180师致电第60军，报告部队所面临的险境，决定在26日晚向西北方向突围。
第60军接到第180师的报告后，立即在18时作出部署，令第179师第536团从芝岩里以东展开反击，令181师全部即从华川地区出发，以1个团沿公路攻击正面之敌，主力沿公路两侧向门岩里西南、华岩里方向出击，接援第180师，同时建议第3兵团主力兼程赶进，支援第60军作战。
第179师和第181师此时均在春川东北地区。第536团因自身2个营被敌隔断，正在激战中，掌握兵力过少，经军批准未出击。
在华川地区与敌激战的第181师，在26日21时30分接到命令，立即收拢部队，因师团电话中断，徒步传令迟慢，加上大雨，至24时才开始西进，在27日上午先后进至论味里、场巨里、原川里地区，与美军遭遇，被敌所阻，故救援计划未能实现。
26日18时，第180师开始向西北方向突围。主力经驾德山、蒙德山攻击前进，在27日9时进至鹰峰，另一路经纳实里、间村，迂回前进，也在27日9时至鹰峰与主力会合。
经连日激战，全师迷路、失散的人员众多，全师集中人员已不足千人，突围未成。
5月27日，志愿军司令部令第3兵团主力兼程赶进，打退敌军进攻，以解第180师之围。
但此时第3兵团的第12军正在转进中，第3兵团于是在27日12时电令第60军，不惜一切代价救援第180师。
同时令第15军派部队在场岩里、广德里接应。
随后，第3兵团又在17时30分电示第60军，令第180师不顾一切牺牲，由师团干部带队，选最强的部队，组织好火力，从芝岩里、华岳里之间，选敌空隙，沿红碛岭、芳确屯、狮子岭，杀出一条血路，向史仓里至松亭之间方向突围。
27日17时，第60军令第180师坚决向史仓里方向突围。
同时令第179师取捷径，兼程赶进，向史仓里以南之敌出击，救援第180师。
第179师接到命令后，立即出发，但因路途比较远，加上敌军火力封锁严密，直至28日5时才有1个营赶到明芝岘、下实乃里地区。
而此时，美军和韩军已经三路合击史仓里，并在28日下午攻占史仓里，其东西阵地因此连为一线，纵深加大。第60军组织的第二次救援第180师行动仍没有成功。
同时，在27日晚，第180师将部队组成3个连，全力向史仓里方向攻击前进。
因走错路，中途返回，转向西北方向突围，在突破敌军三个阵地后，队伍伤亡很大，无力继续攻击。
第180师主要指挥员没有很好地查明情况，集中全力继续寻敌间隙坚决突围，而采取了分散突围的办法，决定人员分路向史仓里方向突围，到伊川、铁原集中，导致该师遭致严重损失。
自5月29日至6月中旬，第180师先后突出包围集中的有师长、副师长、师参谋长、团长以下近4000人(含先期掩护军后勤转移的1个营)。
志愿军第12军第91团在战役第二阶段进攻作战中，担负迁回穿插敌后的任务，在停止进攻时，已进至下珍富里以东的兄弟峰。
联合国军实施反扑后，第91团孤悬敌后90余里，与主力失去了联系。在敌情不明、地形不熟、缺粮少弹、伤员增多和通信联络极为不畅的严重情况下，该团在转移过程中，全团官兵团结一致，不畏艰难，发扬红军团的优良传统，夺取敌军的武器弹药和粮食补充自己，边打边撤，带着全部伤员，在5月29日胜利突出重围，与主力在文登里会师。
在志愿军司令部的统一指挥下，各部停止休整，迅速展开，构筑工事，阻击联合国军北进。
在东线华川方向，志愿军第20军展开在华川地区，以第58师先敌抢占启星里、大加马伊、城山、已积洞、战场洞、大利洞地区，坚决控制要点，阻敌北进；以第59师在山阳里至注坡里公路两侧地区集结，随时准备投入战斗。
5月28日，美第7师主力和美第24师、韩第3师各一部在百余辆坦克的支援下，由华川北进，多路向志愿军第58师阵地进攻。志愿军第58师坚守阵地，并不断实施局部反击。在蛇头岘南山反击战中，第174团毙俘美第7师150余人。
29日，第58师调整部署，以二梯队第172团投入战斗，并以2个加强连协同第174团对敌实施反冲击，收复阵地，歼灭美第7师1个加强连和韩第3师一部。
第58师在每一个阵地上都与敌军展开反复争夺，不断地以反击大量杀伤敌军。美军和韩军，在7天时间里只前进了4公里。
此时，联合国军开始向西线涟川、铁原方向增加反扑兵力，这一方向成为联合国军的主要进攻方向。
5月28日，美第1军和第9军集中4个师的兵力，猛攻志愿军第65军阵地，占领了涟川以南金谷里、永平及汉滩川一线，直逼铁原。在铁原以北的志愿军后方基地受到严重威胁。
5月28日17时，彭德怀直接电令第63军并指挥第65军第194师，迅速在涟川、铁原之间，东起古南山，西至临津江畔，正面25公里，纵深20公里的地域组织防御，阻止敌军进攻。
第19兵团将配属兵团的2个炮兵团加强给第63军，明确命令第63军要不惜代价，坚守阵地，阻止敌人进攻，无上级命令不准撤退。
5月28日18时，第19兵团电令第65军，在汉滩川北岸坚决阻击，没有命令再不得北撤。
28日20时，志愿军司令部再次电令第65军，必须在现阵地采取积极防御，绝不允许随便撤退，影响全局。
第65军第193师的防御地域，在铁原以南地区，扼守由汉城通往铁原的交通要道，态势突出，是美军向铁原方向推进的必经之路。
根据兵团和军的命令，第193师党委提出了誓死保卫铁原的口号，组织部队展开了坚守防御作战。
第579团在南峰岘地区。该团以连续的反冲击，坚守4昼夜，直接威胁北进美军的侧背，迟滞了敌军的行动。
29日，美军向志愿军第577团防守的233.2高地发动猛烈攻击。
233.2高地地势突出，扼制汉城通往铁原的公路。志愿军第193师以第577团成两个梯队展开，在该地域实施坚守防御。
白天抵抗美军的空、坦、步、炮联合攻击，晚上则组织部队进行坚决的反击。阵地得而复失，失而复得，争夺异常激烈。
5月30日晚，志愿军第193师趁敌连续进攻疲惫之机，以第577团在第576团一部的配合下，对敌实施反击。
战至31日零时，第577团全部收复美军占领的阵地，毙伤敌230余人，志愿军仅伤2人。随后，又打退了美军的疯狂反扑，巩固占领阵地。
6月1日，志愿军第47、第42、第26、第27军在新幕、伊川、鸡雄山、黑云吐岭一线构成了纵深防线，全线防御布势基本完成。
但在涟川、铁原方向上，美军的进攻仍未停止。
6月1日，范佛里特下达命令，要求其他部队加强对堪萨斯线的防御，而以美第1军和第9军继续向“怀俄明线”进攻，在占领此线后，在其北面建立巡逻基地，尽最大可能发起有限目标的进攻，以摧毁志愿军和朝鲜人民军的后勤补给基地，破坏中国和朝鲜军队发动新的攻势准备。
此时，志愿军第63军以第187、第189师已夹涟川至铁原公路展开，构筑了防御阵地，把主要力量放在卡口子上，狙击敌军沿涟川、铁原公路两侧向纵深推进，第188师为预备队。
第65军主力撤出第一线转入休整，其第194师归第63军指挥在第一线担任阻击。
6月1日，美第8集团军集中美第1军、第9军主力开始向志愿军第63军阵地展开进攻，把主攻方向指向涟川，在不足3公里的进攻正面上，集中2个师，在大量航空兵、炮兵的支援下，以整连、整营、整团的兵力，轮番猛攻志愿军第187师阵地。
第63军全体指战员以誓与阵地共存亡的革命气概，与进攻美军展开长达12天的激烈战斗。
战斗最激烈的地点在右翼涟川山口地区。美军进攻第一天即投入5个步兵营，加上4个炮兵营的支援。志愿军187师第561团3营在师团火力的支援下，坚守阵地四天三夜，顶住了数倍于己的敌军10余次进攻，与敌反复争夺，毙伤敌达1300余人。
在左翼第189师防区的种子山、233.2高地等地，美军的进攻也连续受挫。
6月3日，美第25师主力投入进攻，兵分三路，在航空兵密集火力支援下，以坦克为先导，多路猛攻志愿军第189师阵地。志愿军第189师全力以赴，与敌军反复争夺阵地。在战斗最紧张的时刻，师预备队全部投入，师直及部分机关勤务人员也加入战斗。前线连队大部分连排干部伤亡，许多官兵在最后时刻，拉响手榴弹，与敌人同归于尽。
6月3日24时，志愿军司令部电示第63军由坚守防御改为机动防御，要求部队积极灵活地反击，争取时间，消耗敌人，不宜坚守一地。
6月4日，美军孤注一掷，对志愿军第63军阵地全线展开波浪式的疯狂进攻，甚至在双方交战人员已经短兵相接的情况下，仍实施炮击。
志愿军第63军以预备队第188师接替第189师防御，继续坚守阵地，与进攻美军展开血战。
根据志愿军司令部的指示，志愿军第63军在6月5日转入二线阵地，进行机动防御，继续阻击敌军进攻。
6月10日，志愿军第63军胜利地完成了防御任务。
在历时12昼夜的防御作战中，第63军在涟川、铁原地区25公里的防御正面和20余公里的防御纵深地域，克服种种困难，顽强抗击美军4个师的轮番进攻，共歼敌1.5万余人。
6月10日，志愿军主动撤出铁原、金化，将联合国军阻止在三八线附近的汶山、高浪浦里、三串里、铁原、金化、杨口、明波里一线，敌我双方都转入防御，第五次战役结束。
志愿军和朝鲜人民军在第五次战役转移阶段的20天阻击作战中，共歼敌3.6万余人。
第五次战役，是抗美援朝战争期间规模最大的一次战役。
志愿军和朝鲜人民军共投入了11个军和4个军团的兵力，联合国军投入几乎所有地面部队并有大量航空兵部队的支援，交战双方投入此次战役的总兵力达100万，展开了连续50天的激烈战斗。
志愿军和朝鲜人民军以战斗减员8.5万余人的代价最终歼敌8.2万余人。