炮戰發生之後，為了回應解放軍的猛烈攻擊，美國國防部在8月24日將第七艦隊布防於台灣海峽，此後第七艦隊協助台灣當局海軍補給金門，並且與台灣當局空軍、台灣當局海軍陸戰隊、台灣當局陸軍舉行一連串防空兩棲作戰聯合演習，並派駐F-100戰鬥機及勝利女神導彈營至台灣，同時也成立作戰指揮中心。
8月25日以後，國民軍企圖維持金門的海上補給，利用夜晚運補。而解放軍則以艦艇與岸轟，企圖維持封鎖。
料羅灣
自八月二十三日大規模炮擊後，解放軍炮兵炮擊點逐漸收攏彈著點，集中打金門的西村、沙頭兩機場和料羅灣，意圖困死金門島。在解放軍炮兵和海軍的封鎖下，機場完全不能起降，金門島15萬軍民的補給全靠料羅灣的海運。
9月1日，由馬公啟航準備運補金門的台灣當局海軍巡邏艦沱江號，在9月2日與解放軍在料羅灣發生遭遇戰，史稱料羅灣海戰，沱江號在此役遭到重創，但仍成功達成運補任務。在戰鬥中，魚雷艇隊對敵艦目標判斷失誤，放過了絕佳的戰機，在混亂中174、180兩艘魚雷艇相撞沉沒。
9月8日，解放軍持續向金門群島發射53300餘發炮彈，其重點指向金門新頭碼頭，途中解放軍海岸炮兵第150連的炮火擊中正在卸貨中的美樂號中型登陸艦，官兵死傷11人，登陸艦則中彈引爆船運軍火燒毀。金門駐軍炮兵於下午一時三十分開始還擊，共發射10100餘發，迄六時三十分，解放軍受壓製而停止射擊。
金門炮擊後，國民黨政府讓美國軍隊進駐
美國介入
自9月2日料羅灣海戰後，9月3日起，美國海軍開始為國民黨海軍提供武裝護航，但不進入原有的三海裏。緊接著，9月4日，中華人民共和國宣布中國領海為12海裏。在外交上，中美兩國開始了政治博弈。我政府宣稱，沒有允許，外國艦船和飛機不得出入我國領海和領空。麵對封鎖，金門島物資逐漸緊缺。雙方除了繼續進行炮戰外，還在台海上空進行頻繁的空戰。9月24日，國民黨空軍使用AIM-9響尾蛇空空導彈擊落解放軍空軍殲5戰鬥機一架，首開全世界空空導彈擊落戰鬥機的先例。
9月15日，在華沙舉行的中美大使級會談上，中華人民共和國代表王炳南提出要求蔣撤出金門馬祖等沿海島嶼，而中華人民共和國則承諾一定時期內不進攻台灣，王炳南要求“中國政府聲明，直接威脅廈門、福州兩海口的，為國民黨軍隊所占據的金門、馬祖等沿海島嶼，必須收複。如果國民黨軍隊願意主動地從這些島嶼撤走，中華人民共和國政府將不予追擊”。在中華人民共和國要求台灣方麵撤出金門馬祖等沿海島嶼的要求下，美國總統艾森豪威爾以美國政府名義表示美國政府曾以金門島群、馬祖列島並不在《中美共同防禦條約》的防禦義務之中因而要求台灣當局放棄金門，並允諾提供當時美國陸軍5個師的標準裝備作為補償並提供運輸工具供金馬地區軍民後撤。但此要求被蔣介石所拒絕。美國遂通過第三國表示可能在保衛台灣外島的戰役中使用戰術核武，美國同時支援國民軍重裝備。蘇聯共產黨總書記赫魯曉夫警告北京不可觸發美蘇核武對抗。
美援台
美製M115型203毫米重炮
9月中旬，美軍支援國民軍六輛203公厘口徑的M55自行火炮，俗稱八吋炮，由國民軍陸軍第1軍炮兵607營接用，在台灣實行一周的熟悉訓練後，分兩梯次自左營軍港由國民軍海軍美字號運輸艦運到澎湖。9月18日和21日，國民軍啟動“轟雷計劃”，由美軍和國民軍合作運送八吋炮前往金門。為分散風險，仍分兩梯次進行，每次由三艘國民軍海軍通用登陸艇（LCU）各裝載一輛M55，LCU又停置於美軍一萬噸級船塢艦（LSD）中，在國民軍軍艦護航下駛往金門。美軍船塢艦在離金門3浬處停泊，三艘登陸艇接著航向金門，在炮火中搶灘上陸。
9月26日，第一批三輛M55首次投入戰鬥，摧毀圍頭地區炮陣地，下午四點，圍頭近海岸邊的陣地火炮後撤，M55以火力追擊。9月29日第二批三輛M55投入戰鬥，主要攻擊大嶝及蓮河炮陣地和工事。9月27日國民軍炮兵607營第三梯次搶灘成功，金門增加6門M2牽引式八吋榴彈炮，至此金門國民軍共有12門八吋長程重炮。
對於國民軍八吋炮的戰果，國共雙方有不同的記載。在台灣方麵，當時俞大維得到戰報，稱國民軍觀測和射擊準確，圍頭解放軍炮位工事散飛火炮破碎，受到前所未有的打擊，八吋炮一個多小時的射擊中，徹底殲滅解放軍40幾處目標。台灣當局和國民軍因此士氣大振。金防部司令胡璉也記錄：“隻是一百多發的奇襲射擊，眼看到敵岸上炮毀人亡、煙幕衝天。我軍官兵久處敵人彈幕壓抑，至此歡聲雷動。”當代台灣軍史作家分析，12門八吋炮到位後，國民軍取得火力上的優勢，其影響所及，中華人民共和國方麵在炮戰上轉為劣勢，無法再以炮戰封鎖金門或削弱其防守態勢。中華人民共和國方麵考慮到在政治上已有收獲，又不願衝突升高引發美蘇勢力直接投入戰場，乃至使戰火延伸到華南地區，因此接連宣布“停火一周”、“停火兩周”、“單打雙不打”，降低衝突能量。
在大陸方麵，報告文學作家沈衛平提出，他查閱大量當時廈門前線的作戰文書、電報往來、情報分析、戰鬥簡報和總結，
解放軍炮兵猛烈轟擊國民黨金門駐軍
對金門使用203榴炮情況隻有個別資料提到寥寥一二筆，重視程度遠遜對待台灣部署“屠牛士”地地導彈和“響尾蛇”空空導彈，以及美國航空母艦特混艦隊。9月16日之後，解放軍廈門前線的炮兵火力從未減弱。9月26日之後的戰鬥損失統計，也未見有大幅度增加的情況。同時他訪問參戰士兵與民兵，受訪者多表示大陸方麵的炮工事相當堅固，加之203榴炮的命中率很有限，同時金門方麵為避免曝露203榴炮位置而未頻繁使用。沈衛平總結道，“203榴炮的抵達，無疑增強了金門的防務，但並未改變火力方麵大陸強金門弱的總體態勢；該型巨炮肯定給大陸製造過麻煩，但麻煩則肯定不像台灣所講的那樣邪乎。”
國際反應
金門炮戰開打後，國際間和美國內部的輿論因為擔心區域衝突升高為大戰，多反對台灣當局堅守大小金門和馬祖等外島，也反對美軍介入。9月11日，英國外相塞爾文·勞埃表示，美國協防外島乃至使用戰術性核武顯然會有連鎖反應的危險，而台灣當局自外島撤軍則可加強其國際地位。9月29日，美國參議員約翰·肯尼迪稱美國須防衛台灣，但必須擺脫外島。新西蘭總理建議台灣自外島撤軍，而由國際間保證其地位，成為一個獨立而中立的國家。10月1日，美國總統艾森豪威爾表示台灣當局將眾多部隊布防在金門不是好辦法，但國民軍不能在敵軍壓境的狀況下撤退。
10月21日，美國國務卿杜勒斯飛抵台北與蔣介石會麵，杜勒斯表示要突破大陸的炮轟封鎖必須動用核子武器，蔣介石最初表示或許可以考慮使用戰術性核子武器，但當得知必須動用相當於廣島威力的核彈時，便表示不願因為使用核子武器以引起世界大戰或將美軍卷進大規模衝突。杜勒斯指出美軍支援金門在政治上的困難與限度，並向蔣介石提出若幹條件，暗示台北當局接受我軍的解決方案。杜勒斯離開後，蔣介石和其子蔣經國會商，決定與北京接觸、降溫。蔣氏父子秘密派人傳話給中華人民共和國國務院總理周恩來說，如果大陸持續炮擊，台灣不得不自外島撤軍，中國就有分裂之虞。美國學者陶涵認為蔣介石和毛主席都把金門當成台灣與大陸連係的樞紐，在這點上雙方默契一致。
衝突降溫
10月5日，中華人民共和國國防部長彭德懷宣布，“基於人道立場，對金門停止炮擊七天”。10月13日再宣布停火2周。惟至10月20日下午，解放軍稱因美方軍艦參加對台灣運補船團護航，宣布停火無效，並於當日下午四時開始，恢複炮擊，迄黃昏時止，共射擊11，500餘發，國民軍炮兵亦於下午五時集中七個營之火力，予以反擊。10月25日後解放軍放棄強攻，雙方炮兵在此時仍持續炮擊作戰。隨後解放軍方麵宣布采行“單打雙停（逢單日炮擊，雙日不炮擊）”的方針持續炮擊，隔年1月八日至十五日，一連五天均無戰事，十五日，解放軍突又作零星擾亂性射擊。
自此以後，每逢單日，則僅有小規模之射擊，或發射宣傳彈，國民軍亦常利用單日對大陸進行零星射擊，或發射宣傳彈，至於大規模之炮戰，則從未再發生。
後期炮戰
金門炮戰之後二年（1960年），中華人民共和國又發動較小規模的六一七炮戰、六一九炮戰，爾後采“單打雙不打”方式陸續鳴炮，直至1979年中華人民共和國與美國建交為止。至此，中華人民共和國聲稱金門炮戰為一場不求殺傷和占領，而是政治意義高於軍事意義的戰爭。
正式結束
1979年1月1日，中華人民共和國與美國正式建立外交關係，中華人民共和國國防部部長徐向前發表了《停止炮擊大、小金門等島嶼的聲明》，曆時21年的金門炮擊，正式劃上了句號。
炮戰軍種
空戰方麵：依據中華人民共和國方麵的記錄：解放軍擊落敵機18架、擊傷19架；擊沉敵大小艦艇7艘、擊傷17艘；擊毀敵水陸兩用輸送車14輛、繳獲1輛；摧毀敵各種陣地工事327處，汽車9輛，雷達、電台7部，各種火炮30餘門；斃傷敵中將以下官兵千餘人，俘敵飛行員3名。解放軍被擊落、擊傷飛機11架；損失魚雷艇3艘、傷1艘；被擊毀火炮32門、汽車8輛；傷亡官兵460餘員、民兵群眾218名。當時中華人民共和國人民解放軍空軍所作戰的飛機主要為米格17戰鬥機。
依據台灣當局方麵紀錄：國民軍空軍亦擊敗解放軍空軍，掌握空權，國民軍空軍共出動各型飛機9094架次，執行各種任務，國民軍空軍先後與共方戰鬥機遭遇共發生12次空戰，擊落大陸米格十七型機32架，另擊傷及可能擊落13三架。當時台灣當局空軍所作戰的飛機是F-86，F-84和P-51。
海戰方麵：依據中華人民共和國方麵記錄：解放軍海軍擊沉國民軍海軍大小艦艇7艘、擊傷17艘，解放軍海軍被擊沉魚雷艇3艘、傷1艘，擊傷2艘。
依據台灣當局方麵記錄：國民軍海軍共擊沉敵魚雷快艇二十餘艘，擊傷4艘；擊沉大陸大型炮艇兩艘，擊傷2艘，2艘登陸艦沉沒（台生、美樂），1艘戰車登陸艦與巡邏艦重創（中海、沱江），海戰中尤以九二海戰為最。
台灣當局陸軍在此一戰役中，實施反炮擊82次，射擊炮彈12萬8千發。
詳細記錄
7月29日：依據中華人民共和國方麵記錄：解放軍擊落2架、擊傷1架敵機。
7月31日：蘇聯領導人赫魯曉夫和其國防部長飛抵北京，與毛主席及周恩來等大陸要員密商。中國曆史學家沈誌華認為，毛主席是通過對蘇聯的“中蘇聯合艦隊”的提議故意大發肝火，以使得赫魯曉夫訪問北京，讓外界認為中國大陸展開金門炮戰有蘇聯支持。