第三階段(10月30日至11月25日)，實施決定性反擊，徹底粉碎敵軍進攻。10月29日開始，志願軍第15軍進行兩天的炮火準備，摧毀“聯合國軍”所佔表面陣地的工事。30日夜，該軍以第45師5個連、第29師2個連與堅守坑道的3個連相配合，在百餘門火炮支援下,對597.9高地進行反擊，奪回了表面陣地。11月1∼5日，“聯合國軍”每日以1∼6個營的兵力，對597.9高地展開猛烈攻擊,一度突入陣地。志願軍第12軍以第31師第91團和第93團1個營先後投入戰鬥,與第45師防守部隊緊密配合，粉碎了“聯合國軍”的多次進攻。11月5日,第3兵團調整部署,以第12軍副軍長李德生指揮第31師及第34師2個團擔任鞏固597.9高地和奪回537.7高地北山的作戰任務,並組成五聖山戰鬥指揮所，該指揮所歸第15軍直接指揮；第45師除炮兵、通信、後勤保障部隊外，撤出戰鬥進行休整。11日16時25分，第31師第92團以2個連，在110余門火炮支援下，分兩路發起衝擊,激戰至17時奪回了537.7高地北山陣地。入夜該團增強兵力，搶修工事。12∼14日，打退南北韓軍2個營至1個團兵力的多次攻擊。14日夜，第93團主力加入戰鬥。至17日，又打退南北韓軍1個排至1個團兵力的衝擊70余次。18日，第34師第106團接替第93團加入537.7高地北山作戰，激戰至25日，打退南北韓軍多次進攻。第12軍加入作戰後，在第15軍作戰勝利的基礎上，鞏固了597.9高地，恢復、鞏固了537.7高地北山陣地。“聯合國軍”由於傷亡慘重，被迫停止進攻，上甘嶺戰役遂告結束。

 　　此役,志願軍第15、第12軍打退“聯合國軍”營以上兵力衝擊25次，營以下兵力衝擊650余次，進行數十次反擊，共斃傷俘敵2.5萬餘人，擊落擊傷敵機270余架,擊毀擊傷其大口徑火炮60余門、坦克14輛,最終守住了陣地。作戰中，志願軍傷亡1.15萬餘人。上甘嶺戰役,創造了現代戰爭史上堅守防禦作戰的範例,表明以坑道為骨幹、支撐點式的防禦體系，對抗擊強大火力的突擊、增強防禦的穩定性有著巨大作用。此役之後，志願軍在整個正面戰場完全掌握了主動權。擁有優勢裝備的“聯合國軍”在正面戰場是已經是攻則不克、守則必失，完全陷入了被動挨打的窘境。
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