就在這時，李承晚集團單方面「釋放」朝鮮人民軍被俘人員。
這是一次經過秘密策劃和精心布置的行為，6月18日，李承晚下令「釋放」不直接遣返的朝鮮人民軍被俘人員。南朝鮮憲兵總司令元容德命令看守戰俘營的南朝鮮保安部隊打開戰俘營大門，武裝警察在戰俘營外接應，通過漢城中央電台廣播，號召當地居民收容戰俘並加以掩護。從6月18日凌晨開始至6月19日，論山、馬山、釜山、尚武台等戰俘營中的25000名朝鮮人民軍被俘人員（其中有志願軍被俘人員五十名），在南朝鮮保安部隊、武裝警察和特務的脅迫下陸續離開戰俘營，至6月底，共「釋放」人民軍戰俘27000餘人。
李承晚集團的倒行逆施，使它陷於十分孤立的地位，也使美國處境十分尷尬。形勢對朝中方面非常有利。為使朝鮮停戰得以真正實現，朝中方面必須在政治上、軍事上有重大表示，給美方、李承晚集團以壓力。
6月19日，毛澤東致電志願軍代表團，指出：
帝國主義陣營內部的爭吵和分歧正在擴大。鑒於這種形勢，我們必須在行動上有重大表示方能配合形勢，給敵方以充分壓力，使類此事件不敢再度發生，並便於我方掌握主動。
6月19日，金日成、彭德懷致函克拉克。嚴正指出，這次事件的性質「是極端嚴重」的，是美方「有意縱容李承晚集團去實現其久已蓄意的破壞戰俘協議、阻撓停戰實現的預謀」。鄭重要求美方「必須負起這次事件的責任」，「必須負責立即追回」被釋放和脅迫扣留的全部戰俘，「保證以後絕對不再發生同類事件」。並質問美方：「究竟聯合國軍司令部能否控制南朝鮮的政府和軍隊？如果不能，那麼，朝鮮停戰究竟包括不包括李承晚集團在內？」要求美方必須就能否控制南朝鮮政府和軍隊，保證停戰協定的實施做出答覆。美國政府則竭力推卸責任，表示儘力追回戰俘。
為了加深美國和李承晚集團的矛盾，給以更大的壓力，爭取實現穩定可靠的停戰，毛澤東決定在停戰前再給南朝鮮以軍事打擊。到朝鮮準備參加停戰協定簽字的彭德懷，6月19日致電毛澤東，建議推遲停戰簽字時間，以便「再給李承晚偽軍以打擊，再消滅偽軍一萬五千人」。6月21日，毛澤東複電同意這一建議，並明確指出：「停戰簽字必須推遲，推遲至何時為宜，要看情況發展才能做決定。再殲滅偽軍萬餘人，極為必要。」於是，志願軍總部決定立即組織金城戰役，以狠狠打擊南朝鮮軍，促進朝鮮停戰早日實現。為此，指示各兵團、各軍，對原來預選的目標，如已準備就緒，應堅決立即攻殲之，如新選目標，抓緊時間準備。對美軍及其他軍隊暫不作主動進攻，但對任何進犯之敵，均必須予以堅決打擊。
這時，在志願軍第20兵團防守的戰線正面，西起金化東至北漢江的金城以南地區，由美第9軍指揮的南朝鮮軍首都師和南朝鮮第2軍團指揮的第6、第8、第3師共四個師防守，態勢向北突出，並在志願軍夏季進攻戰役第一、第二階段的作戰中，分別受到不同程度的打擊，其原有的防禦體系被破壞，重新調整後的防禦結構尚未穩固。志願軍第20兵團已掌握了南朝鮮軍的防禦特點，取得了進攻其營、團堅固陣地的經驗，查明了其縱深陣地的工事情況，而志願軍第20兵團指揮第67、第68、第60、第54軍共四個軍另第33師，有82毫米迫擊炮以上火炮約1000門，其中山炮、野炮、榴彈炮約400門，在兵力、火力上都佔有優勢，具備了組織更大規模反擊作戰的有利條件。
6月23日誌願軍第20兵團決定，以所指揮的四個軍及志司加強的第21軍組成中、東、西三個集團，實施金城戰役，繼續給南朝鮮軍首都師和第6、第8、第3師主力以殲滅性打擊，力爭拉直金城以南戰線。並預定7月10日前後發起進攻。6月25日，志願軍首長批准了這一計畫，並指示第20兵團放手作戰，如反擊成功，情況有利時，可繼續向敵縱深作有限度的擴展；同時，指示正面其他各軍，此時只做進攻準備，基本採取守勢，如敵進攻則堅決殲滅之。第20兵團於6月26日至7月6日先後召開了兵團黨委會和師以上幹部會議，強調認真貫徹「穩紮狠打」的精神，先小打後大打，做到「打必殲、攻必克、守必固」；要在穩的基礎上狠狠地打擊敵人；要求堅決突破，連續突擊，大膽實施穿插分割，迂迴包圍，各個殲滅敵人；並具體地研究和確定了作戰部署。7月10日，第20兵團正式下達了作戰命令。
7月13日夜，濃雲密布，大雨欲來，志願軍第20兵團三個突擊集團和第9兵團第24軍，出敵意料，突然在25公里的正面上同時發起了進攻。
志願軍1100多門火炮，對金城以南敵軍陣地進行了猛烈轟擊，僅二十八分鐘的火力急襲，即將1900餘噸炮彈傾瀉到敵軍陣地上。這是志願軍入朝以來，動用炮火數量最多，消耗彈藥最多的一次。猛烈的炮火，摧毀了敵軍大部分工事，打得敵人抬不起頭來。炮火準備結束後，步兵迅速發起攻擊。在一個小時內即全部突破了敵四個師的防禦前沿陣地。南朝鮮軍陷於一片混亂，紛紛要求增援。在報話機中不斷發出「陣地失守」、「準備撤退」的哀鳴。
突破敵前沿陣地後，各集團迅速向南發展進攻。以第68軍第203、第204師和第54軍第130師組成的西集團分別向芳通里、月峰山方向進攻。為保證主攻部隊的順利發展，第一梯隊各師組織了滲透迂迴支隊，向敵縱深穿插前進，打亂敵指揮所、炮兵陣地或斷敵退路。第203師滲透迂迴支隊，在副團長趙仁虎的率領下，沿公路猛插敵縱深。副排長楊育才帶領的偵察班，化裝成南朝鮮軍，奇襲首都師「白虎團」團部，當場擊斃敵機甲團團長陸根，首都師副師長、「白虎團」團長落荒而逃，打亂了敵人的指揮系統。在穿插作戰中，滲透迂迴支隊三個多小時穿插前進9公里，途中進行大小戰鬥十一次，搗毀了南朝鮮軍「白虎團」團部，殲滅機甲團大部以及美第555榴彈炮營大部，有力地配合了正面部隊的進攻作戰。至14日下午，西集團完成了第一步任務。
以第67軍、第54軍第135師、第68軍第202師組成的中央集團，突破前沿陣地後，集中火力、兵力強攻轎岩山。轎岩山由三個比鄰的山峰組成，山勢陡峻，易守難攻，瞰制金城川以北、北漢江以西的大片地方。如果轎岩山失守，金城川以北整個陣地即全部動搖。因此，南朝鮮軍對轎岩山的防禦十分重視，以兩個團防守，構築了大量工事，並加強了火力配置。第199師的進攻，遭到敵人的頑強抵抗，發展不順利。至14日零時才攻佔中峰、東峰。投入第二梯隊後，於14日10時攻佔主峰（西峰），佔領轎岩山全部陣地。在攻佔主峰的戰鬥中，李家發以負傷七處的身體堵住敵機槍工事射孔，成為又一名黃繼光式的英雄。第200師進攻順利，在官岱里西南殲敵一個營後，迅速向南猛插，將南朝鮮第6師的陣地東西分割。隨後投入第二梯隊，渡過金城川，向梨船洞方向突進，沿途追殲逃敵。迅速佔領了梨船洞以西及西北地區，並繳獲敵滿載物資的卡車二十九輛、飛機一架。
由第60軍、第21軍、第68軍205團組成的東集團，以第21軍位於北漢江以東擔任防禦，鉗制正面之敵，以第181師由東向西進攻金城川以北之敵。由於準備時間不足，加上正面狹窄，又橫越山脊，突破後進展緩慢，當夜未能解決戰鬥。14日下午，敵軍動搖，迅速佔領了金城川以北地區，並以一部兵力西渡金城川與中集團會合。
第24軍突破敵前沿陣地後，控制了金化之敵向東增援的交通要道，保障了第20兵團的右翼安全。
至14日下午，各進攻部隊經一晝夜的連續作戰，拉直了金城以南戰線，向南最遠推進了9.5公里，殲敵14000餘人，給南朝鮮首都師、第6師以殲滅性打擊，活捉了首都師副師長林益淳。
在志願軍的強大攻勢面前，敵軍或被殲，或丟棄武器裝備狼狽潰逃。沿金城至華川的公路上，汽車壓著屍體，坦克堵住汽車，亂成一團。美聯社記者當時是這樣描述那些潰逃的南朝鮮士兵的：
有的坐著卡車和吉普，有的攀在坦克上，有的騎在大炮的炮身上。但是還有成千的人用那穿著帆布膠底鞋而且起了水泡的一雙腳向南步行。這些人一瘸一拐地向前走，到了精疲力竭的時候就在路旁的泥濘地里倒頭就睡，顧不得傾盆大雨了。……如果共軍有一隊戰鬥轟炸機的話，他們就能把公路上的這個長達數英里的地段變成一條血河。
志願軍順利地完成了戰役第一步任務。此時，大雨未停，道路泥濘，河水暴漲。隨著南進，志願軍後勤跟進保障和炮火支援受到一定的限制。美第8集團軍司令泰勒迅速調整部署，以加強金化以東地區的防禦，準備向志願軍實施反撲。
在這種情況下，為貫徹「穩紮狠打」的指導方針，鞏固既占陣地，7月14日，志願軍首長電令第20兵團，以