10月29日，中方實施決定性反擊的準備工作就緒，並已進行了兩天的預先火力準備，將敵占表麵陣地工事基本摧毀。
10月30日戰役終於進入第三階段。中午12時，十五軍以133門大口徑火炮和30門120毫米重迫擊炮，向597.9高地實施猛烈的炮火準備，炮擊持續達四個多小時，日落時分才沉寂下來，韓軍惟恐誌願軍乘機發動攻勢，立即爬出隱蔽部搶修被毀的工事。不料一個半小時之後，十五軍的炮火又突然開火，對高地進行了五分鍾的炮火急襲，
接著開始炮火延伸，韓軍以為誌願軍攻擊迫在眉睫，急忙進入陣地準備迎戰，誰知誌願軍的炮彈猛然又回落在高地上，被打了個正著，這麼幾次真假延伸射擊，高地守軍的傷亡已經過半。22時，火箭炮團24門火箭炮進入陣地對敵縱深炮兵陣地和二梯隊集結地區實施麵積射擊，幾乎完全壓製了敵縱深炮火。這是誌願軍曆史
上第一次大規模的炮戰，取得了預期的效果。誌願軍的步炮協同日漸完善，使得美軍在上甘嶺傷亡的70%是被誌願軍炮火殺傷。
至31日，中方反擊部隊創下了上甘嶺戰役中日均最高彈藥消耗量：投擲出近3萬枚手榴彈和手雷，260根爆破筒，發射30多萬發子彈，21000多發炮彈。到31日夜，除1個班陣地外，597.9高地全部為中方收複。
11月1日，美韓軍的炮火猛烈程度僅次於戰役第一天10月14日，美第九軍調來了韓軍的精銳部隊第九師的三十團。該團曾經在白馬山頂住了誌願軍頭等主力三十八軍五個團整整十天的強攻，為韓九師贏得了“白馬師”的榮譽稱號。上午11時，為確保一舉拿下陣地，美方發動六個營的兵力向中方597.9高地衝擊。
為配合地麵部隊，美軍的6架超級武器XB－37終於和12架A－1“空中襲擊者”出動支援。在高空保護的是18架F－86“佩刀”。朝鮮方麵在事前已經派偵查員在前方機場嚴密監控XB－37的起降活動，爭取直接為這次擊殺任務提供第一手情報。而就在這次釜山西部K－1飛機場XB－37起飛後，朝方偵查員就將觀察超級兵器起飛的情報提前25分鍾通知中方司令部。隨即，丹東機場的36架戰鬥機依次起飛，借朝鮮東部的群山掩護，低空殺至上甘嶺。
本來米格－15機群從丹東機場趕至上甘嶺大約需要30分鍾以上，而釜山K－1起飛的XB－37抵達上甘嶺隻需25分鍾，加之中方在得到情報後有一定的起飛準備時間，以及為躲避美國預警雷達而進行低空飛行耽誤的時間。XB－37完全可能在進入戰場後對敵支援十幾分鍾後才會碰到中方戰機。但湊巧的是XB－37在起飛後由於雲層較厚的影響，36架美機在編隊上耽誤了近10分鍾。這就使得雙方在上甘嶺的碰頭，幾乎是“同時登場”。
根據中方防守的597.9高地的連長王茂才回憶：“中午12時，我們連都在加緊搶修工事，以防下午敵人發起的進攻。同時我們也做好了防空準備，散兵坑與專門防空戰壕已經挖好。整個防禦配置上我們吸取了第一階段的教訓，特別強調抗空襲能力”。
“大約12點一刻，就聽見“嗡嗡”的蜂鳴，巨大的螺旋槳的聲音一聽就知道美國的打家夥要來了。於是我立即對周圍的同誌們大喊空襲，提醒他們掩護。”
“兩三分鍾後，6架‘大鵬’（中方戰士對這種飛翼型飛機的稱呼）開始編隊，將側翼對準我方陣地。‘轟轟轟轟’的開始炮擊”
“就在大家埋頭等著炮擊結束時，我們聽到了空中另一方向而來的發動機的轟鳴聲。”
“我當時就在想不會是我們的飛機吧？按理說我們的飛機一般隻是保衛後勤線路……
“我操，真是我們的飛機！我看著它們開始發射火箭衝散‘大鵬’和美國小飛機陣型！”
“我當時也不顧炮擊，跳起起來就喊‘幹死美國狗日的’！”
“這可是我們前線第一次看到我們自己的飛機！其他的戰士也跟著揮手為我軍飛機加油！”
…………
6架XB－37在700米低空排好隊形進行炮擊的時候，中方截殺機群從編隊的正前方突然出現。這時A－1強擊機已經開始俯衝轟炸，而高空的F－86發現已經出現的米格－15大機群立馬通知聯軍指揮部，要求支援，並采馬上采取迎擊動作。
作為美軍護航機隊指揮官的威廉.斯密斯，在整個朝鮮戰場上並沒有多少擊墜記錄，但是他所領導的313中隊最大強項就是在有效驅散各類偷食的“菜鳥米格”，同時，還能多少獲得一點戰績。所以整個中隊被轟炸編隊飛行員親切的取了“忠誠牧羊犬”的綽號。但這次，斯密斯馬上發現，所來的並不如以往都是“菜鳥米格”。