随着停战谈判的不断进展，李承晚集团阻挠、破坏活动日益加剧。李承晚公开申明，不能接受联合国军的新方案，叫嚣“反对任何妥协”，要“进军鸭绿江”，“单独打下去”，并指使其谈判代表退出谈判，在汉城、釜山等地导演了反对停战的所谓“群众游行”。
根据美方和李承晚集团在谈判中的表现，志愿军决定调整部署，改变打击的重点对象。6月1日，志愿军首长发出关于调整部署的命令。命令指出，“据目前的形势和板门店的谈判，为使此次战役打得更策略一些，和使我新入朝的部队迅速开赴一线得到锻炼”，确定“目前反击作战打击对象主要是李伪军，应坚决打击，求得大量歼灭其有生力量，对英国等仆从军队暂不攻击，对美军亦不作大的攻击。但原定之作战准备仍应进行，以便必要时再打，不管任何敌人，凡是向我们进攻，就应该坚决地彻底粉碎之”。命令新入朝的第16、第54、第21军开赴第一线，分别归第9、第20兵团指挥，第21军作为志愿军总预备队。
根据志愿军首长的指示，各兵团、各军对作战计划做了适当调整。第20兵团于6月4日召开作战会议，制定了下一步的作战方案。决定继续扩大作战规模，夺取南朝鲜军团的阵地，以第60、第67两个军互相配合，集中力量进一步打击北汉江两侧的南朝鲜第8、第5两个师，分别攻击其各一个团的阵地，并准备粉碎“联合国军”从纵深机动两个师以上兵力的反扑。为避免两个军同时作战与敌形成僵持，根据地形条件，会议决定第60军首先在北汉江东岸发起进攻，尔后视战况的发展，第67军再发起攻击。为保证该兵团扩大作战规模的需要，志愿军司令部先后抽调近三个炮兵团支援作战。
根据第20兵团的部署，第60、第67军在原有准备的基础上，进一步做了准备。第60军决心以第181、第179师夺取北汉江东侧883.7高地、973高地、902.8高地等南朝鲜第5师第27团主阵地，歼灭守敌并坚决固守阵地。
这是志愿军在进入阵地战以来，首次进攻敌军一个团的阵地。志愿军从上到下均很重视，进行周密的部署和严密的组织，特别是步炮协同和潜伏部队的实施，而潜伏的成功与否直接关系到战斗能否胜利。第60军在龙门山组成临时指挥所。第20兵团在靠近军指挥所的一条坑道开设了前进指挥所。6月10日第60军发起进攻时，第20兵团原任代司令员郑维山、政治委员张南生和新任司令员杨勇、政治委员王平、副参谋长赵冠英，均亲临前线指挥作战。第3兵团司令员许世友和副政委杜义德也前来参观。志愿军司令部亦派作战科长等到第60军帮助指导。
6月10日晚，第60军集中82毫米追击炮以上火炮259门向敌人阵地实施了二十分钟的火力急袭，将敌人70％的工事摧毁。接着，在敌阵地前潜伏的部队如离弦之箭，步兵分十三个箭头同时向预定目标发起进攻，很快突破了敌人的前沿阵地。在向纵深挺进的过程中，遇到了敌人的炮火拦阻和步兵的顽强抵抗，但进攻部队勇猛穿插，奋力攻击，势不可挡。经一小时零十分钟的激战，担任主攻任务的第一梯队三个团即全歼了883.7高地——973高地——902.8高地一线守敌，占领南朝鲜第5师第27团主阵地约10平方公里地区，首创志愿军进入阵地战以来一次进攻作战歼敌一个团大部的范例。
从6月11日起，南朝鲜军纠集第5师和预备队第3师各一部共三个团，在大量炮兵和航空兵的支援下，连续进行猛烈反扑。至14日，第60军共击退敌反扑190余次，巩固地占领了既得阵地。
第60军乘敌无力反扑之际，继续发展进攻，到15日8时，第60军全部占领了南朝鲜第5师和第3师共两个多团防守的全部阵地，约30平方公里地区。在此次进攻作战中，第60军共毙伤俘敌14800余人。
继第60军之后，第67军于6月12日夜以三个团的兵力，在82毫米迫击炮以上火炮308门、坦克八辆的支援下，向南朝鲜第8师第21团据守的北汉江西侧座首洞南山（十字架山）发起进攻。该阵地工事坚固，被南朝鲜军称之为“模范阵地”、“京畿堡垒”。
第67军为保证战斗发起的突然性，参战各团在敌前沿前构筑了秘密屯兵洞700余个，炮兵和坦克发射阵地100余个。在进攻的前一天，将九个步兵连秘密开进潜伏区和屯兵洞内。战斗发起后，仅用一个半小时，即占领了敌全部表面阵地。战至13日晨肃清坑道残敌，全歼守敌两个营又一个连另一个营大部。接着，又连续打退了敌人一个连至两个营兵力的五十余次反扑。14日乘胜扩大战果，占领了南朝鲜第8师第21团全部阵地，向敌纵深推进了4公里。第67军在此次进攻作战中共毙伤俘敌13500余人、缴获坦克八辆、击落击伤敌机二十一架。
与此同时，中线第9兵团指挥的第23、第24军，于6月10日至15日，共对当面敌军营以下兵力防守的十一个阵地进行了攻击，歼敌6200余人，巩固地占领了两个阵地。东线朝鲜人民军第3、第7军团也先后向当面南朝鲜军营以下兵力防守的十一个阵地进行了攻击，巩固占领两个阵地。
6月8日，停战谈判双方关于战俘问题达成协议。至此，停战谈判所有议程全部达成协议。15日，按照双方实际控制线划定军事分界线的工作即将完成，签署停战协定在即。
6月15日19时，志愿军司令部命令各部队，自6月16日起，一律停止主动的向敌攻击，但对敌人发动的任何进攻，则应坚决给以打击。第二阶段作战遂告结束。
在第二阶段作战中，中朝军队先后对“联合国军”团以下兵力防守的五十一个阵地攻击六十五次，共毙伤俘敌41000余人，扩大阵地面积58平方公里。其中在北汉江两侧给南朝鲜第5、第8师以歼灭性打击。