經過第一階段的打擊，戰場態勢有了新的變化。美第8集團軍以美騎兵第1師、美第24、美第25師、美第3師、英第28旅、英第29旅、土耳其旅、南朝鮮第1師重兵布防漢城周圍和漢江南岸地區。「聯合國軍」的東部戰線顯得很突出，而且那裡都是南朝鮮軍部隊。彭德懷一眼看出志願軍殲敵的機會在東線出現了，於是決定轉兵東線，以殲滅南朝鮮軍為主要目標發起第二階段作戰。5月6日，中朝聯合司令部下達戰役第二階段預備作戰命令，決定以第9兵團為東線人民軍前線指揮部所屬部隊首先集中力量，殲滅縣裡地區南朝鮮第3、第5、第9師（後加第7師），爾後視情況殲滅南朝鮮首都師、第11師；以第3兵團割裂南軍與美軍的聯繫，阻擊美第10軍不得東援。
為了迷惑李奇微，達到出其不意之效，志願軍採取聲東擊西之計，以第19兵團三個軍和人民軍第1軍團，在漢城以北向漢城和漢城東西地區佯動，攻殲敵軍營以下規模的部隊，擺出要第二次進攻漢城的架式，以牽制當面的美軍；以第39軍到春川、華川地區進行整補，在加平至龍沼項間的昭陽江西岸做渡河準備，掩護第3、第9兵團主力秘密東移。
李奇微判斷志願軍和人民軍將以五個軍在中西部發起新的進攻，目標直指漢江下游地區；同時以志願軍三個軍和人民軍一個軍團在漢城方向實施助攻。對東部戰線，李奇微的研判是志願軍和人民軍可能集中五個軍在春川——洪川一線實施小規模的進攻。
根據李奇微的命令，美第8集團軍對部署進行了調整，集中美軍六個師、英軍一個旅、土耳其軍一個旅、南朝鮮軍三個師，以漢城為重點，一線密集配置；東線從勿老里至東海岸部署南朝鮮軍六個師，也成一線配置；美第3師、美空降第187團、英第29旅，分別置於西線京安里、永登浦、金浦地區，為美第8集團軍的預備隊。
志願軍第19兵團和人民軍第1軍團在西線積極佯動，成功地將「聯合國軍」主要作戰集團抑留在了西線。第3兵團、第9兵團大軍稍事整補，於5月9日起在第39軍的掩護下移兵東線。
1951年5月16日18時，東線志願軍和人民軍各突出集團發起全線進攻，開始第五次戰役第二階段的作戰。
志願軍第9兵團（欠第26軍，附第12軍），配屬炮兵四個團，在宋時輪指揮下，在金雄指揮的朝鮮人民軍第2、第3、第5軍團的協同下，採取多路突破，多迂迴包圍的戰法，向縣裡地區的南朝鮮軍第3、第5、第7、第9師發起攻擊。
志願軍第20軍在軍長兼政治委員張翼翔指揮下突破南朝鮮軍第7師防禦，該軍第60師奮力穿插，其前衛第178團第5連在連長毛張苗的帶領下，十二小時內經大小戰鬥十三次，前進30公里，及時搶佔合圍要點五馬峙。毛張苗榮立一等功，獲一級戰鬥英雄稱號。第60師於17日晨順利攻佔後坪里、美山裡地區，切斷了縣裡地區南朝鮮第3、第9師南逃之路。人民軍第5軍團於17日午前切斷了縣裡之敵東南逃路，與志願軍第20軍對敵構成合圍。南朝鮮第3、第9師被壓縮包圍在縣裡地區。
第27軍在軍長彭德清、政治委員曾如清指揮下向南朝鮮軍第5、第7師的接合部攻擊。擔任迂迴任務的第81師猛烈向敵縱深穿插。該師師長孫端夫親自率領第242團第2營為先導，勇猛打破南朝鮮軍的多次阻攔，一夜前進28公里，佔領嚴達洞公路兩側高地和砧橋、坊內里各要點，切斷縣裡之敵西南逃竄之路。孫端夫榮立二等功，第242團第2營獲「穿插模範營」稱號。第81師和第60師在在美山裡、上南里地區將南朝鮮第5、第7師擊潰，全殲五個營3000餘人。第12軍突破後殲滅南朝鮮第5師一部，在自隱里北側與美第2師和法國營展開激戰，擔負迂迴任務的第31師一個團插入敵縱深。
至17日晚，志願軍和人民軍通過穿插分割已切斷了縣裡地區之敵的退路，構成了對敵的內層包圍。在志願軍和人民軍強大攻勢面前，南朝鮮軍全線潰退，四散奔逃。
為爭取更大勝利，彭德懷致電宋時輪、金雄：必須貫徹大膽迂迴與分割包圍，以達全殲敵人的作戰思想，不放鬆白天作戰的任何機會，爭取全勝。根據這一指示，第27軍第81師迅速搶佔蒼村裡、三巨里，第12軍第31師繼續迅速向束沙里、下珍富里攻擊前進，人民軍第2軍團主力繼續向下珍富里以東前進。
18日晨，南朝鮮第3、第9師開始向南和東南兩個方向突圍。第20軍和人民軍第5軍團從東西兩面出擊。戰至19日，將南朝鮮這兩個師大部殲滅，繳獲其全部重裝備。
南朝鮮軍的慘敗，使「聯合國軍」總司令李奇微大為光火，他撤銷了南朝鮮第3軍團的建制，解除了南朝鮮第3師師長的職務。李奇微還對南朝鮮損失大量武器裝備感到惱火，他感嘆說：「所丟棄的這些武器不可等閑視之，這些武器裝備足可裝備好幾個整師。」
第3兵團第15軍在軍長秦基偉、政治委員谷景生指揮下發起攻擊後，第45師攻佔沙五郎峙，殲滅美第2師200餘人；第44師插向敵縱深，將在大水洞露營的美第2師第38團團部和第1、第2營大部殲滅。由於美第2師和陸戰第1師在寒溪里——都十里一線繼續頑抗，第15軍前進受阻，未能進一步實現戰役割裂任務。在這種情況下，第3兵團命令第60軍第179師機動到春川以東，增強第15軍方向上的突擊力量。但由於敵主力已經靠攏，這一企圖也沒有實現。第60軍的第180師積極進攻，於19日夜佔領法所里，牽制當面之敵美軍第7師，使其不得東援。
在東線殲敵的同時，西線第19兵團也對當面之敵發起進攻，殲敵一部，配合了東線的作戰：
東線南朝鮮軍在志願軍和人民軍各突擊集團的打擊下，撤退到九成浦里——豐岩里——下富珍里——鐵甲嶺——仁邱里一線布防，「聯合國軍」的防線出現缺口。美第8集團司令范佛里特急令美第10軍主力逐次東移，以阻止志願軍和人民軍向西發展進攻；令集團軍預備隊美第3師迅速東援，堵塞戰役缺口；令南朝鮮軍戰略預備隊第8師立即從大田北上平昌、堤川，建立縱深防線。同時，令美第1軍三個師又三個旅在西線加強對志願軍第19兵團的進攻，以減輕東線的壓力。至5月20日，「聯合國軍」又重新形成了東西相銜接完整防線。
到這時，志願軍已在一個月之內連續進行了兩次作戰，部隊相當疲勞，糧彈將盡，而且雨季又快到來，江湖沼澤在我後方，一旦山洪暴發、交通中斷，部隊補給將更加困難；此役未能消滅美軍師、團建制單位，敵還有北犯可能，在這種情況下，若繼續進攻，不僅不易消滅敵人，而且反而會增加自己的困難，不如後撤休整，尋機殲敵，更為主動。5月20日，負責東線指揮的志願軍第9兵團司令員宋時輪、副司令員陶勇和第3兵團副司令員王近山致電彭德懷、鄧華、朴一禹，彙報了面臨的情況，提出了收兵的建議。彭德懷同意前線指揮員的分析和建議，並將情況報告毛澤東。毛澤東於5月21日複電彭德懷：「根據目前的情況，收兵休整，準備再戰，這個處置是正確的。」
21日，第五次戰役第二階段作戰結束，志願軍和人民軍殲滅南朝鮮第3、第9師大部，重創南朝鮮軍第5、第7師，並殲滅美第2師、陸戰第1師各一部，共計殲滅南朝鮮軍和「聯合國軍」23000餘人。