月8日，彭德懷司令員就第二階段作戰指導問題發出指示，指出：實現此次戰役意圖的幾個重要關節，一是第19兵團在牽制方向上要認真地積極地實施佯動，将美軍主力吸引于西線；二是第3、第9兵團切實隐蔽我軍企圖，絕不能事先被敵發現我大軍東移，三是全殲縣裡地區3個南朝鮮師的關鍵，在于幾把合圍的鉗子能按時到達預定合鉗的位置，迅速達成兩翼迂回，多路切斷，層層包圍；四是掌握戰機，及時集中力量殲敵的關鍵在于各部隊特别是執行鉗擊迂回任務的部隊能否及時報告敵情及自己到達的位置，并主動提出協同殲敵的意見，積極付諸行動。
5月12日晚，西線我軍開始對議政府、漢城、春川地區之敵實施佯動。
李奇微被佯動所迷惑，驚呼“漢城面臨第二次危機”，并判斷我軍在中線即将發起攻勢。
遂調美第7師，南朝鮮第2師增強中部防線。
同時，第3、9兵團于15日相繼隐蔽進入作戰地區，完成了戰役展開。
5月16日18時，我各突擊兵團在短促的炮火準備後，向敵人發起猛烈的突擊，敵軍防線土崩瓦解，南朝鮮第5、7師倉皇潰退，第9兵團之第20、27軍及人民軍第5軍團以摧枯拉朽之勢直插敵縱深。
第20軍第60師前衛第178團第5連，在連長毛張苗帶領下勇猛直追，連續突擊，沿途打跨敵5次阻擊，12個小時内經大小戰鬥13次，殲敵一部，繳獲汽車70餘輛，前進30公裡，及時搶占了合圍要點五馬峙，為主力部隊開辟了前進道路。
該師主力于17日晨攻占了後坪裡、美山裡、旺盛谷諸要點，殲敵500餘人，切斷了縣裡地區南朝鮮第3、9師南逃退路。
人民軍第5軍團也于17日午前占領了縣裡東南之鎮東裡、芳台山諸要點，切斷了縣裡之敵東南退路，與第20軍對縣裡之敵構成了合圍。
第27軍在突破南朝鮮第7師防禦後，第79師和第80師攻殲了于論裡之敵，爾後向院巨裡方向進攻。
擔任迂回任務的第81師不惜傷亡，不為小敵所誘，不停息地交互攻擊前進。
師長孫端夫親率第242團第2營為先導，沿山溝密林，以每小對十幾裡的速度向敵縱深猛插。
沿途經大小戰鬥18次，殲敵250餘人，于17日5時突入敵縱深28公裡，按時搶占了嚴達洞、砧橋、坊内裡、上南裡諸要點，切斷了縣裡之敵西南退路。
該師主力在第60師的協同下，在上南裡地區将南逃之南朝鮮軍第5、第7師擊潰，全殲南朝鮮第7師第8團1、2營，第9師第30團3營，第5師第27團3營和第35團3營，共5個營3000餘人。
擔任戰役迂回任務的配屬第9兵團的第12軍，突破南朝鮮第5師防禦後，于三巨裡殲滅其第5師一部，繼續在自隐裡北側與美第2師以及法國營（戰前了解自隐裡地區為南朝鮮軍）展開激戰。
第130團戰士梅永洪、張再雲、吳建德，巧擺地雷陣，并用火箭筒、反坦克手雷擊毀敵7輛坦克。
經兩日艱苦的圍殲戰鬥，全殲美第2師第23團兩個營及法國營大部。
向深遠縱深沙裡地區迂回的第31師主力被敵阻隔，隻有1個團從敵左翼繞道插入敵人縱深，并于18日拂曉攻占長水院，因而未能達成向東沙裡迂回的目的。
18日晨，縣裡地區南朝鮮軍第3、第9師動搖潰亂，開始向南及東南方向突圍。
我第20軍由西向東，人民軍第5軍團由東向西，對敵兩面夾擊，将該敵大部殲滅，繳獲敵人全部重裝備，敵一部潰散于山林。
志願軍第20軍與人民軍第5軍團在圍殲作戰中勝利會師，指戰員們格外興奮和喜悅，熱烈擁抱握手，互緻問候，互祝勝利。
然後分數路共同進山搜剿殘敵。
至21日，在搜剿中又俘敵1000餘人。
為繼續殲滅南逃之敵，第12軍、第27軍、人民軍第5軍團一部于20日前進到豐岩裡、下珍富裡、東沙裡一線。
但因戰役退路未被我按時切斷，緻使潰逃之敵未能被堵擊包圍全殲，造成潰退之第5、第7師殘部尚能在九城浦裡、豐岩裡以南地區布防；南朝鮮首都師、第11師有計劃地撤至江陵地區布防。
加之美第3師于20日迅速增援，先後進到豐岩裡、下珍富裡地區，堵塞了戰役缺口。
南朝鮮第8師由大田北調平昌、堤川，建立了縱深防線，于是敵軍又形成了東西相接的完整防線。
這時，我軍在一個月内已連續進行了兩次作戰，部隊相當疲勞，供應亦發生困難；加之此役未消滅美軍完整的師團建制部隊，敵還有北進可能。
在這樣的情況下，我軍繼續南進，不僅不易消滅敵人，反而徒增困難，不如後撤，使主力休整，以逸待勞，尋機殲敵，更為主動。
于是，21日結束了第二階段的作戰。
在這一階段作戰中，第3兵團第15軍發起進攻後，第45師攻占沙五郎峙，殲美第2師200餘人。
第44師迅猛插入敵縱深，18日夜在洪川以北大田裡發現美第2師第38團主力露營，第130團以突然勇猛的作戰展開進攻，第9連直插敵人團部後方，堵截敵人退路，與敵展開肉搏。
第9連第2排排長崔建團，一人刺死6個美國兵，又用繳獲的武器斃敵20餘人，俘敵8名，獲一級戰鬥英雄稱号。
經一夜激戰，第44師将美第38團大部殲滅，斃傷敵1800餘人，俘敵240餘人，有力地牽制了當面美軍。
（戰後為了紀念這一勝利，朝鮮人民在加裡山上立了一塊記述志願軍英勇奮戰和中朝人民戰鬥友誼的紀念碑。
）第15軍殲滅美第3