16日，美韩军继续猛攻不止，志愿军第15军终于判明了对手的企图，军、师组织火炮向上甘岭机动，并组成炮兵指挥所统一指挥；建立后方供应机构，加强后勤保障，除原先储备的弹药外，另为一线部队每连增配8000枚手榴弹，三个月的补给品储备量，并积极组织向坑道补充弹药、食物和饮水。
在同一天，美军第7师和韩军第9师共4个营，分别向上甘岭附近第15军的第44、第29师正面的几个高地发起佯攻；第二天，联合国军6艘航空母舰、4艘巡洋舰、30余艘驱逐舰和驻日美军骑兵第1师一部，在朝鲜东海岸高城以东海面举行近于实战性质的“敌后实战演习”。在“演习”中，美军舰炮和航空兵对东海岸人民军阵地进行猛烈轰击，还有30余架运输机从正面战线飞过，做出一副要在敌后实施空降的架势来，以吸引志愿军的注意力，分散牵制志愿军的力量。
17日，战斗进入第四天，越来越惨烈，阵地得而复失，失而复得，一天之中几度易手，每次易手就伴随着天翻地覆的炮击和天昏地暗的拼杀，阵地上尸横遍野，血流成河。由于战场地域狭窄，最多只能展开两个营的部队，双方只能采取逐次增兵的战术，一个营一个连，甚至一个排一个班的投入作战。
18日，美第七师和韩第二师出动番号同为第十七团的部队，依托已占阵地，进行强力扩张。美第十七团参加过二战，曾在太平洋上与日军激战，建立过累累功勋；韩第十七团则是韩军最精锐的部队，长期作为韩军唯一的机动打击部队，配属美军参加过多次重要战斗，颇得美军的赞赏。在这两支劲旅的全力攻击下，四十五师守备部队虽拼死抵抗，终因伤亡惨重，后援不济，被迫退入坑道坚持作战。上甘岭表面阵地开战以来，第一次全部失守！
经5昼夜的血战，志愿军第四十五师已陆续投入十九个连队，这些连队在激战之下，几乎全部打光，最多的所剩不过三十余人，少的已不足十人。
19日夜，志愿军第45师决定倾注全力，将最后的7个连队尽数投入，向这两个高地再次发起反击。太阳刚落山，十五军集中46门90毫米以上口径重炮和火箭炮第二零九团的全部24门十六管132毫米火箭炮，对597和537高地实施猛烈炮火准备。至20日凌晨，这两个高地的表面阵地全部恢复。英雄黄继光就牺牲在当晚反击597高地的作战中。
志愿军刚刚恢复阵地不过一个多小时，天就亮了，20日一早，美军出动30架次B―26轰炸机对上甘岭进行地毯式轰炸，300余门重炮同时实施轰击，40多辆坦克由于受地形限制无法实施集团突击，干脆抵近高地作为固定火力点，直接支援步兵进攻。炮火准备后，联合国军以美韩军各一个营的兵力，向志愿军阵地大规模反扑。
这两个阵地表面经几日连续轰炸，工事早已炸成松土，成为不可守之地。至黄昏时分，部队已连续一天一夜的激战，伤亡巨大，攻击部队伤亡惊人，无力再战，只得放弃表面阵地退入坑道，除597高地西北山梁上的四个阵地外，其余阵地均告失守。
至次，上甘岭战役第一阶段作战宣告结束。总起看来，联合国军白天攻击，志愿军夜间反击，双方都在不断增加兵力，在两个高地上进行反复争夺。联合国军先后投入了17个步兵营的兵力（美军9个营、韩军8个营），战损近7000人，而志愿军15军第45师也先后投入26个步兵连队，全部打残，伤亡达3500人以上，其中134和135两个团总共不足300人，全师无一个完整的建制营，已无力展开反击。
上甘岭战役第二阶段作战：
