21～29日，該師堅守坑道的部隊，在"聯合國軍"進行轟炸、爆破、放毒、熏燒、堵塞、封鎖的情況下，充分發揮黨支部的戰鬥堡壘作用和政治思想工作的威力，團結一致，克服缺糧、缺彈、缺水和空氣汙濁的困難，堅持作戰，並先後組織班或戰鬥小組向坑道外出擊158次，斃傷敵2000餘人，奪回7處陣地。此間，誌願軍縱深部隊以2個班至5個連的兵力，多次向597。9高地和537。7高地北山實施反擊，並及時向坑道內增派人員，補充物資；炮兵19個連進行火力支援，配合堅守坑道作戰。為了準備決定性反擊，第3兵團根據誌願軍司令部的指示，將第12軍調往五聖山地區，作為戰役預備隊；以第15軍第29師接替第45師除597。9高地和537。7高地北山以外的全部防務；給第15軍增加7個炮兵連和1個高射炮兵團，給第45師補充1200名新兵。第三階段，實施決定性反擊10月29日開始，誌願軍第15軍進行兩天的炮火準備，摧毀"聯合國軍"所占表麵陣地的工事。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，奪回了表麵陣地。
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。誌願軍第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。在5日的戰鬥中，第91團新戰士胡修道，在全班戰友都傷亡的情況下，孤身奮戰，堅守陣地，斃傷敵280餘人。
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餘門火炮支援下，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，打退南朝鮮軍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，又打退南朝鮮軍1個排至1個團兵力的衝擊70餘次。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，打退南朝鮮軍多次進攻。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，恢複、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，誌願軍第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餘次，進行數十次反擊，共斃傷俘敵2。5萬餘人，擊落擊傷敵機270餘架，擊毀擊傷其大口徑火炮60餘門、坦克14輛，最終守住了陣地。同時誌願軍傷亡也達1。15萬餘人。
上甘嶺戰役打破美軍不可戰勝的神話，不可一世的美軍遭受重創。囂張氣焰大受打擊。
誌願軍戰士用自己的鮮血和生命捍衛了祖國的榮譽，為新中國爭了光，也極大的提升了新中國在國際上的地位.