1951年4月30日,"联合国军"为查明中朝人民军队动向, 并掩护其调整部署,以一部兵力转入反攻。至5月8日,进占高阳、议政府、于论里、麟蹄、龙浦里一线。此后转入防御，在勿老里至西海岸部署了美军6个师,英军、土耳其军各1个旅，南朝鲜军3个师，以汉城为重点，成一线密集配置。在勿老里至东海岸部署南朝鲜军首都师、第3、第5、第7、第9、第11师，6个师成一线配置。美军第3师、英军第29旅、美军空降第187团为预备队,分别配置于京安里、永登浦、金浦地区。

5月16日黄昏，中朝人民军队发起第二阶段进攻。第9兵团(第20、第27军，附第12军)及人民军第2、第3、第5军团,采取正面突破、两翼迂回、层层包围、多路钳击的战法,在勿老里至雪岳山地段实施主要突击。第20、第27军各一部于17日晨突入纵深25至28公里，抢占后坪里、砧桥、镇东里、旺盛谷诸要点，切断了南朝鲜军第3、第9师南逃退路，并于美山里、上南里地区将南朝鲜军第5、第7师击溃，歼其5个营(即上南里战斗)。18日，第20军在人民军第5军团配合下，向被围于县里地区的第3、第9师展开猛烈突击，经两日激战，将其大部歼灭，缴获全部重装备。第12军突破后，在三巨里、自隐里地区歼南朝鲜军第5师第35团一部、美军第2师两个营、法国营大部。19日，志愿军第12、第27军和人民军第5军团各一部向南发展进攻,于20日进至束沙里、皮木亭一线。第3兵团(第15、第60军，附第39军主力)向九城浦里突击，负责割裂美军与南朝鲜军的联系和阻击美军第10军，使其不得东援。第15军于17日晨攻占沙五郎峙等地，18日在大水洞地区歼美军第2师第38团团部及第1、第2营大部。第60军于19日，攻占洪川江以北法所里地区,使美军第7师不得东援。第19兵团及人民军第1军团在高阳至加平宽大正面上向议政府以南水落山及汉江以北磨石隅里、清平川地区进攻，并于17日攻占上述各地，有力地牵制了联合国军主力，保障东线进攻作战的胜利。