隨著停戰談判的不斷進展，李承晚集團阻撓、破壞活動日益加劇。李承晚公開申明，不能接受聯合國軍的新方案，叫囂「反對任何妥協」，要「進軍鴨綠江」，「單獨打下去」，並指使其談判代表退出談判，在漢城、釜山等地導演了反對停戰的所謂「群眾遊行」。
根據美方和李承晚集團在談判中的表現，志願軍決定調整部署，改變打擊的重點對象。6月1日，志願軍首長發出關於調整部署的命令。命令指出，「據目前的形勢和板門店的談判，為使此次戰役打得更策略一些，和使我新入朝的部隊迅速開赴一線得到鍛煉」，確定「目前反擊作戰打擊對象主要是李偽軍，應堅決打擊，求得大量殲滅其有生力量，對英國等僕從軍隊暫不攻擊，對美軍亦不作大的攻擊。但原定之作戰準備仍應進行，以便必要時再打，不管任何敵人，凡是向我們進攻，就應該堅決地徹底粉碎之」。命令新入朝的第16、第54、第21軍開赴第一線，分別歸第9、第20兵團指揮，第21軍作為志願軍總預備隊。
根據志願軍首長的指示，各兵團、各軍對作戰計畫做了適當調整。第20兵團於6月4日召開作戰會議，制定了下一步的作戰方案。決定繼續擴大作戰規模，奪取南朝鮮軍團的陣地，以第60、第67兩個軍互相配合，集中力量進一步打擊北漢江兩側的南朝鮮第8、第5兩個師，分別攻擊其各一個團的陣地，並準備粉碎「聯合國軍」從縱深機動兩個師以上兵力的反撲。為避免兩個軍同時作戰與敵形成僵持，根據地形條件，會議決定第60軍首先在北漢江東岸發起進攻，爾後視戰況的發展，第67軍再發起攻擊。為保證該兵團擴大作戰規模的需要，志願軍司令部先後抽調近三個炮兵團支援作戰。
根據第20兵團的部署，第60、第67軍在原有準備的基礎上，進一步做了準備。第60軍決心以第181、第179師奪取北漢江東側883.7高地、973高地、902.8高地等南朝鮮第5師第27團主陣地，殲滅守敵並堅決固守陣地。
這是志願軍在進入陣地戰以來，首次進攻敵軍一個團的陣地。志願軍從上到下均很重視，進行周密的部署和嚴密的組織，特別是步炮協同和潛伏部隊的實施，而潛伏的成功與否直接關係到戰鬥能否勝利。第60軍在龍門山組成臨時指揮所。第20兵團在靠近軍指揮所的一條坑道開設了前進指揮所。6月10日第60軍發起進攻時，第20兵團原任代司令員鄭維山、政治委員張南生和新任司令員楊勇、政治委員王平、副參謀長趙冠英，均親臨前線指揮作戰。第3兵團司令員許世友和副政委杜義德也前來參觀。志願軍司令部亦派作戰科長等到第60軍幫助指導。
6月10日晚，第60軍集中82毫米追擊炮以上火炮259門向敵人陣地實施了二十分鐘的火力急襲，將敵人70％的工事摧毀。接著，在敵陣地前潛伏的部隊如離弦之箭，步兵分十三個箭頭同時向預定目標發起進攻，很快突破了敵人的前沿陣地。在向縱深挺進的過程中，遇到了敵人的炮火攔阻和步兵的頑強抵抗，但進攻部隊勇猛穿插，奮力攻擊，勢不可擋。經一小時零十分鐘的激戰，擔任主攻任務的第一梯隊三個團即全殲了883.7高地——973高地——902.8高地一線守敵，佔領南朝鮮第5師第27團主陣地約10平方公里地區，首創志願軍進入陣地戰以來一次進攻作戰殲敵一個團大部的範例。
從6月11日起，南朝鮮軍糾集第5師和預備隊第3師各一部共三個團，在大量炮兵和航空兵的支援下，連續進行猛烈反撲。至14日，第60軍共擊退敵反撲190餘次，鞏固地佔領了既得陣地。
第60軍乘敵無力反撲之際，繼續發展進攻，到15日8時，第60軍全部佔領了南朝鮮第5師和第3師共兩個多團防守的全部陣地，約30平方公里地區。在此次進攻作戰中，第60軍共斃傷俘敵14800餘人。
繼第60軍之後，第67軍於6月12日夜以三個團的兵力，在82毫米迫擊炮以上火炮308門、坦克八輛的支援下，向南朝鮮第8師第21團據守的北漢江西側座首洞南山（十字架山）發起進攻。該陣地工事堅固，被南朝鮮軍稱之為「模範陣地」、「京畿堡壘」。
第67軍為保證戰鬥發起的突然性，參戰各團在敵前沿前構築了秘密屯兵洞700餘個，炮兵和坦克發射陣地100餘個。在進攻的前一天，將九個步兵連秘密開進潛伏區和屯兵洞內。戰鬥發起後，僅用一個半小時，即佔領了敵全部表面陣地。戰至13日晨肅清坑道殘敵，全殲守敵兩個營又一個連另一個營大部。接著，又連續打退了敵人一個連至兩個營兵力的五十餘次反撲。14日乘勝擴大戰果，佔領了南朝鮮第8師第21團全部陣地，向敵縱深推進了4公里。第67軍在此次進攻作戰中共斃傷俘敵13500餘人、繳獲坦克八輛、擊落擊傷敵機二十一架。
與此同時，中線第9兵團指揮的第23、第24軍，於6月10日至15日，共對當面敵軍營以下兵力防守的十一個陣地進行了攻擊，殲敵6200餘人，鞏固地佔領了兩個陣地。東線朝鮮人民軍第3、第7軍團也先後向當面南朝鮮軍營以下兵力防守的十一個陣地進行了攻擊，鞏固佔領兩個陣地。
6月8日，停戰談判雙方關於戰俘問題達成協議。至此，停戰談判所有議程全部達成協議。15日，按照雙方實際控制線劃定軍事分界線的工作即將完成，簽署停戰協定在即。
6月15日19時，志願軍司令部命令各部隊，自6月16日起，一律停止主動的向敵攻擊，但對敵人發動的任何進攻，則應堅決給以打擊。第二階段作戰遂告結束。
在第二階段作戰中，中朝軍隊先後對「聯合國軍」團以下兵力防守的五十一個陣地攻擊六十五次，共斃傷俘敵41000餘人，擴大陣地面積58平方公里。其中在北漢江兩側給南朝鮮第5、第8師以殲滅性打擊。