东部缺口堵住了，但中部加平地区的缺口依然存在。中朝联合司令部急调志愿军第15军、12军在金化以南集结，加修工事，准备阻敌。
志愿军东线第二阶段作战中，担任迂回作战的部队第12军第91团，在攻击停止时已攻至下珍富里以东的兄弟峰。在联合国军实施反扑后，该团孤悬敌后90余里，其转移路线为敌层层隔断，被迫翻越雪岳山，绕道北撤。
至5月29日，该师突出重围，与主力在文登里会师。
5月28日，志愿军主力部队防线正在构建之中，缺口也在慢慢堵上。但此时联合国军攻势猛增。
东线华川方向，美第7师主力和美第24师、韩第3师各一部在百余辆坦克的支援下，向志愿军第20军前沿第58师阵地发起猛攻，第58师坚决抵抗，并以一部发起反冲击，双方针对每一块阵地反复争夺，皆付出沉重代价。
7天时间里，联合国军仅前进了4公里。
在西线同日，联合国军集中了4个师的兵力，猛攻志愿军65军阵地，效果显著，攻占了涟川以南的金谷里、永平里及汉滩川一线，直逼铁原，直接威胁志愿军在铁原以北的后方基地。
彭德怀急调第63军并加强了第65军的194师及19兵团配属的两个炮兵团，死守朔宁、铁原地区。彭德怀严令：“就是打光了63军，也要再坚守铁原15-20天！”
29日，美军向铁原以南的志愿军防御阵地发起猛烈攻击，志愿军第193师各团与之展开殊死搏斗，白日美军占领一部分阵地，至夜里志愿军组织突击队反攻夺回，顽强守住了阵地。
至6月1日，志愿军第47、第42、第26、第27军分别在新幕、伊川、鸡雄山、黑云吐岭一线构成了纵深防线，全线防御布势已经基本完成。
美军的攻击没有停止。美第8集团军总司令范佛里特下令美第1军和第9军继续沿涟川公路向北攻击，以求摧毁志愿军和人民军的后勤补给基地。
6月1日，美第8集团军集中美第1军、第9军主力开始向志愿军63军阵地发起猛攻，并把主要兵力放在涟川。目的是一举攻占公路两侧的高地，从中央突破，沿公路直插铁原。
在不足3公里的攻击正面上，范佛里特集中了2个师的兵力，在大量航空兵、炮兵的支援下，以整连、整营、整团的兵力，轮番猛攻志愿军187师和189师防御阵地。
阵地在数天中反复争夺，总指挥部下命令要死守，189师预备队全部投入，师直及部分机关勤务人员也加入战斗。
战至6月3日，前线连队大部分连排干部伤亡，但阵地没有后退一步。
鉴于此情况，为保存有生力量，争取防御时间，志愿军司令部电示第63军由坚守防御改为机动防御。
6月4日，美军孤注一掷，对志愿军63军阵地全线展开波浪式进攻，疯狂程度乃至双方短兵相接的情况下依然实施炮击。63军预备队188师接替187师防御，双方血战一天，皆伤亡惨重。
6月5日，第63军转入二线阵地，进行机动防御。
至6月10日，美军进攻结束，志愿军63军（加强了一个师）在铁原25公里的正面上挡住了美军4个主力师，1600门火炮和400辆坦克整整10天的攻击。63军主力189师几乎全部打光，最后撤下来连伤员加起来都编不足一个团，188师563团从战前1300人锐减至266人！63军这支由国民党起义军组成的部队也打出来威风！
就在63军血战铁原之时，15军也南芝浦里一带的几个山头激战。
接到坚守10天的命令，秦基伟令断粮并已减员三分之一的15军重返已经撤离的阵地，2天击败加拿大旅，又顶住了美25师和美3师的猛攻。所有的山头都打成了白刃战、肉搏战。以1200人的代价毙伤美军5700余人，另打掉了4架飞机。
至6月10日，志愿军已建立好新的防线，主动撤出铁原、金化，利用地形将联合国军阻滞在了三八线附近的汶山、高浪浦里、三串里、铁原、金化、杨口、明波里一线，双方皆转入防御，第五次战役宣告结束。
第五次战役，是抗美援朝战争期间规模最大的一次战役。双方投入兵力总数达100万以上，展开了连续50余天的厮杀，最终联合国军损失82000余人，而志愿军和人民军也付出了战斗减员85000余人（部队后撤中有超过20000人失踪，3兵团失踪达到了16000人，美军宣称在5月下旬俘虏中国志愿军达到了17000人！）的沉重代价。
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