志愿军和人民军第一阶段的战术反击作战，使得联合国军颇受震动。9月24日，联合国军总司令克拉克亲临朝鲜前线，召开战地司令官会议，研讨最新的战场形势及其对策。
9月底，联合国军将预备队美第45师和韩第1师前调，分别接替韩第8师和美第3师的防务，整个战场部署基本无变化。
志愿军则根据战前计划，于10月6日开始了第二阶段战术反击作战。这一阶段作战志愿军改变了第一阶段各军准备情况不同而没有统一发起攻击的作法，组织了1个团另13个连又23个排、35个班的兵力，在760门火炮的支援下，同时向联合国军防守的23个阵地发起攻击。
第39军对高阳垈北山、东北山、东山3个点，198.6高地，上浦防南山南无名高地，共5个阵地进行了攻击，攻击顺利并击退韩军反扑，巩固了阵地。
第12军对栗洞东山、690东北1500米无名高地、座首洞南700米无名高地、官垈里西1500米无名高地共4个阵地发起攻击，全部攻克，并巩固占领了栗洞东山阵地。
第68军对1089以北高地、883东山、西北山，938东北无名高地共4个阵地发起攻击，均反击成功，并巩固占领了1089以北高地。
第15军对上佳山西北山、381东北无名高地、3998高地，第38军对394高地和281高地，第40军对松隅村北山、项洞里西山、坪村南山、201西北山，第65军对86.9高地等共10个阵地进行了攻击，大部分攻击顺利，巩固占领了上佳山西北山、松隅村北山、项洞里西山和86.高地4个阵地。
在志愿军于10月6日发起的所有反击作战中，规模最大、争夺最激烈的是38军反击394高地和281高地的战斗。
这两个高地是联合国军在铁原西北的前哨阵地，是其在驿谷川北岸的桥头堡。其中394高地（美韩军称之为白马高地）以东是铁原平原，南面有通往汉城的主要补给线。联合国军如果失去394高地，在铁原就很难立足。281高地位于394高地西侧，建有坑道和钢筋水泥地堡群，与394高地遥相呼应。这两个高地既是联合国军发动进攻的依托，又是志愿军进攻的障碍，因此其中防御工事都相当牢固。
守卫这两个高地的是韩军第9师，其中394高地为2个营，281高地为2个连。
10月3日，38军一文化教员叛变投敌，韩9师从其口供中得知了38军发起攻击的时间和方向，便事先做好了准备，增调1个团另1个营为预备队，并得到了美第9军3个美国炮兵营、1个韩军炮兵营和1个坦克连的支援。
10月6日晚，志愿军第38军攻击计划没有改变，以第114师6个连另2个排，在山炮野炮榴弹炮共117门、自动推进炮4门、坦克8辆的支援下，分5路向394高地发起攻击。同时，以第113师3个连另1个排在15个炮兵连的支援下，向281高地发起攻击。
攻击394.8高地的部队，遭到做好准备、以逸待劳守军的顽强抵抗，伤亡过大，攻击相当不顺利。此后，第38军又先后投入了第114师3个营和2个连的兵力，直战至8日凌晨1时27分才攻占主峰，歼灭韩第9师第30团大部。此后，双方在此展开激烈争夺，韩第9师将其3个团全部投入战斗，并得到了美国空军和强大地面炮火的支援（据统计，仅美第5航空队即出动战斗轰炸机749架次，发射火箭弹750枚，炸弹2700枚、凝固汽油弹358枚；美第9军支援炮火即发射炮弹18万发）。战斗极为惨烈，形成山头拉锯战，主峰阵地多次易手。
战至10月14日，志愿军第38军已使用5个多团的兵力，而且第二梯队已全部用完，不得不于10月15日凌晨撤出战斗。此次战斗，志愿军第38军与韩第9师在该处争夺8天9夜，双方损失都极为惨重：韩第9师损失3500余人（美军战史公布数字）、飞机58架、坦克5辆，但38军更是伤亡达5372人（亡1748人，伤3062人，失踪562人）。
攻击281高地的战斗也打得很不顺利，10月6日至7日，第38军陆续投入6个步兵连、2个机枪连，但没能夺取目标。为配合反击以上两个高地，38军派出5个排攻击凤树洞北山，全歼荷兰营1个排。
至此，志愿军10月6晚发起的针对联合国军2个营以下兵力防守的23个阵地的攻击，除上述两个阵地失利外，其余21个阵地全部攻克。
10月7日至21日，志愿军第65军、第15军、第12军、第68军又先后反击了联合国军11处阵地，其中7处反击成功，4处反击失利。英雄邱少云就牺牲在第15军攻击391高地的战斗中。
至21日，原本计划的第二阶段反击作战已结束，但由于10月14日联合国军向上甘岭地区发起“金化攻势”，为配合上甘岭地区的防御作战，中朝联军指挥部决定将战术反击延续到10月底。
从10月23日到31日，志愿军第39军对高旺山西及西北山腿等4个阵地，第12军对690北无名高地、方坪里东北山、科湖里东南山、6901西北山、方坪里东偏北无名高地、746南山棱线等7个阵地，第40军对坪村南第一、第二无名高地两个阵地，第15军对381东北无名高地、391南峰、275东无名高地3个阵地，第38军对198.3高地，第65军对29.5高地、45.4高地、50高地、七井洞南山4个阵地，进行了反击。除个别目标反击未成功外，大部分目标都被攻克，全歼守敌。至10月31日，志愿军全线性战术反击胜利结束。
从10月6日至31日的第二阶段反击作战，志愿军共对联合国军48个目标攻击58次，其中美军防守的9处，法国、荷兰、加拿大防守的3处，韩军防守的36处，巩固阵地11处。
据不完全统计，在整个秋季反击作战期间，志愿军和人民军先后对联合国军连、排防御阵地和个别营防御阵地共60个目标反击77次（其中人民军对3个目标反击3次），打退联合国军排以上的兵力反扑480余次。经过反复争夺，巩固占领阵地17个，毙伤俘敌27000余人（中国方面统计数字），志愿军损失10700余人，双方战损比5:2。