10月25日，停戰談判在新會址板門店復會，繼續以小組委員會方式討論軍事分界線問題。此時，雙方談判代表團成員都有變化，志願軍方面，調第23兵團副司令員邊章五接替鄧華為談判代表，同時調志願軍政治部副主任杜平為志願軍黨委副書記。
美方從「聯合國軍」連續兩個月的夏、秋季局部攻勢中看到，依靠海空軍優勢並不能達到他們所要求的軍事分界線。因此，在談判恢複後，美方代表不再奢談其海空軍優勢「補償論」，放棄了要求志願軍和人民軍退出1.2萬平方公里的荒謬主張。在談判恢複的當天，美方代表宣布了他們關於軍事分界線的新方案，新方案的軍事分界線基本與當時的戰線重合，在東部和中部有些地方劃在實際戰線的偏南處，而在西部則將志願軍和人民軍控制的開城劃在軍事分界線以南，非軍事區的寬度為4公里。按照這個新方案，志願軍和人民軍還要退出1500平方公里左右的地區。
在談判復會前的10月22～24日，李克農與毛澤東經過電報往來，反覆協商，並徵得金日成同意，確定在談判恢複後的第一次會議上，朝中方面應建議，雙方都放棄原來各自所提的方案，而各自提出新的方案進行討論，如美方不同意，則我方也不提出新方案，如美方同意，我方可提出經過研究修改的新方案，即根據毛澤東於8月17日致金日成的電報中所提原則擬訂的方案（第2方案），不再提以三八線為軍事分界線，在臨津江以東美方放棄1944平方公里，在臨津江以西我方放棄1800平方公里，放棄的地區作為非軍事區，其行政仍由雙方各自管理。這一方案實際上是以雙方接觸線為基礎加以調整的方案。同時也考慮了再經過一段爭論，在對方向我方方案靠近的情況下，我方再提出第3方案，即就地停戰稍加調整的方案。在10月26日的談判會上，我方代表提出了第2方案。
在談判中，一方面，雙方的接觸線尚未經核實，另一方面，美方堅持其所提的方案，強調在東部和中部退出一部分地區，換取西部的開城地區。雙方又進行了激烈的爭論。朝中代表團分析認為，一旦雙方的接觸線核實明確後，美方方案就已站不住腳，如果美方仍不同意我方方案，我方似可直接提出就地停戰，雙方軍隊各後撤2公里作為非軍事區，這樣可以避免對方以在東、中部退出一些地區換取開城的無理要求，對方再無理由反對我方方案。10月30日，李克農將這一考慮報告毛澤東、金日成和彭德懷。毛澤東表示同意這一考慮，並通報給了斯大林。
在戰場上，早在「聯合國軍」的秋季攻勢已成強弩之末，雙方醞釀恢複談判時，志願軍就估計到談判恢複後，仍不會是很順利的，為配合談判作了部署。10月16日，彭德懷、陳賡、朴一禹、甘泗淇致電第19兵團司令員楊得志、政治委員李志民、副司令員兼參謀長鄭維山，指出：雖乘敵疲勞之際，我舉行戰役反擊為有利，但由於朝鮮洪水和美軍飛機狂轟交通線，我軍運輸困難暫時難以克服，因此，第六次戰役反擊擬推遲到11月中旬。在目前，「為增加對敵方壓力，促使談判進展」，第19兵團指揮的各軍應儘可能舉行一些局部反擊，集中一部分炮兵和適量坦克，在充分準備的基礎上，每軍每次以殲滅美軍1個營為目標，如能在10月和11月中旬以前，舉行兩三次這樣勝利的戰鬥，對談判的促進會發生影響。24日至29日，志願軍總部多次致電第一線各部，指出：「敵秋季攻勢傷亡甚大，已呈疲憊現象，我為不給敵以喘息機會，選擇敵之弱點，集中絕對優勢火力和適當兵力，每次消滅敵一兩個連至一個營為目的，得手後看情況再殲擊另一點。大戰役反擊在無空軍配合情況下暫不進行，為促進停戰談判，收復一些放棄的陣地，以正國際輿論，打擊敵人氣焰，請在最近連續打幾次上述小反擊戰。」25日談判復會，美方所提軍事分界線「與目前敵我接觸線相較，我還須撤出一千五百平方公里左右的地區，而敵方除所撤退的微小地區外，卻還前進了六百多平方公里的地區，特別是把開城劃在敵占區內無理要求。我第一線部隊，應堅持現有陣地，並儘可能地舉行局部反擊，收回一些放棄的陣地，表示我力量，促進停戰談判，甚為重要。」「十一月甚至今年底（除特別有利情況在外），擬不準備進行全線大反擊戰役，根據九、十月經驗，採取積極防禦方針，敵人消耗很大，敵對我亦甚恐懼，敵不前進，我采局部不斷的小反擊，每次以消滅敵一個營為標準。目前為促進停戰談判，乘敵傷亡甚大之後應有計畫有準備在下月五號後舉行數次上述小的進攻戰是很需要的，如準備充分，能提早則更好。」李克農和解方也希望這種局部反擊「在充分準備的條件下儘可能早點發動，以期有助於目前的軍事分界線之談判」。
據此，自10月31日至11月底，志願軍第一線第64、第47、第42、第26、第67（11月7日為第12軍接替）、第68軍先後7個軍，共選擇「聯合國軍」營以下兵力防守的突出的、暴露的或較薄弱的26個陣地，攻擊34次，攻克陣地21處，殲敵1萬餘人，鞏固佔領其中9個陣地。與此同時，擔負保衛開城任務的第65軍進行兩次掃蕩作戰，擴展280餘平方公里的地區。在西海岸的志願軍50軍在志願軍空軍直接支援下，攻取了鴨綠江口至清川江口外被南朝鮮武裝佔領的10餘個島嶼，人民軍2個旅在大同江口外和瓮津半島外也收複數個島嶼。志願軍和人民軍的這些作戰，有力地打擊了敵人和促進了停戰談判。
在朝中方面軍事打擊和談判代表的有力舌戰的鬥爭下，美方代表雖仍擺出一副流氓的態度，並且揚言開城的所有權由武力來決定，但也不得不開始步步退讓。為使其陷於被動，毛澤東於11月6日電示李克農，我方可於11月7日的談判中，主動提出就地停戰各後撤2公里作為非軍事區的方案。同時指示彭德懷，對敵可能進攻開城，我必須有所準備，在其進攻時，堅決殲滅之。
朝中代表提出上述方案後，美方代表再無反對的理由，但只同意就此簽署原則協議，而不願確定具體的軍事分界線，企圖在所有談判議程都達成協議後再確定具體的分界線，以為他們依靠優勢的武器裝備還能得到便宜。朝中方面認為，這項議程討論的就是軍事分界線的問題，因此，必須確定一個事實上的分界線，同時對停戰前軍事分界線的變化也充滿信心，認為美國人不會得到便宜，因此，提出在各項議程全部達成協議後，屆時根據雙方接觸線的實際變化再對軍事分界線加以調整。美方代表只好同意，經過雙方參謀人員校訂接觸線後，雙方代表團大會於11月27日批准了該項議程小組委員會於11月23日達成的關於軍事分界線的協議：以雙方現有實際接觸線為軍事分界線，雙方各由此線後撤2公里以建立軍事停戰期間的非軍事區。如果停戰協定在本協議批准30天後簽字，屆時按雙方實際接觸線的變化修正上述軍事分界線和非軍事區。
停戰談判形勢的出現，是志願軍和人民軍勝利作戰的結果。同樣，關於軍事分界線問題的談判達成協議，也是志願軍和人民軍作戰有力配合的結果。歷時4個月關於軍事分界線問題的談判充分表明，如果沒有有力的軍事打擊相配合，同美國人講和是不容易的，美國人是很傲慢不講道理的，「要是講一點理的話，那是被逼得不得已了」。
此後，談判雙方仍以小組委員會的方式，於11月27日、12月11日和1952年2月6日，先後分別進入了第三項議程（關於實現停火休戰的具體安排）、第四項議程（關於俘虜的安排）、第五項議程（關於向雙方有關各國政府建議事項）的談判。但美方仍是故伎重演，採取不講理和拖延態度。