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。
八、狠打伪军，促进停战
就在这时，李承晚集团单方面“释放”朝鲜人民军被俘人员。
这是一次经过秘密策划和精心布置的行为，6月18日，李承晚下令“释放”不直接遣返的朝鲜人民军被俘人员。南朝鲜宪兵总司令元容德命令看守战俘营的南朝鲜保安部队打开战俘营大门，武装警察在战俘营外接应，通过汉城中央电台广播，号召当地居民收容战俘并加以掩护。从6月18日凌晨开始至6月19日，论山、马山、釜山、尚武台等战俘营中的25000名朝鲜人民军被俘人员（其中有志愿军被俘人员五十名），在南朝鲜保安部队、武装警察和特务的胁迫下陆续离开战俘营，至6月底，共“释放”人民军战俘27000余人。
李承晚集团的倒行逆施，使它陷于十分孤立的地位，也使美国处境十分尴尬。形势对朝中方面非常有利。为使朝鲜停战得以真正实现，朝中方面必须在政治上、军事上有重大表示，给美方、李承晚集团以压力。
6月19日，毛泽东致电志愿军代表团，指出：
帝国主义阵营内部的争吵和分歧正在扩大。鉴于这种形势，我们必须在行动上有重大表示方能配合形势，给敌方以充分压力，使类此事件不敢再度发生，并便于我方掌握主动。
6月19日，金日成、彭德怀致函克拉克。严正指出，这次事件的性质“是极端严重”的，是美方“有意纵容李承晚集团去实现其久已蓄意的破坏战俘协议、阻挠停战实现的预谋”。郑重要求美方“必须负起这次事件的责任”，“必须负责立即追回”被释放和胁迫扣留的全部战俘，“保证以后绝对不再发生同类事件”。并质问美方：“究竟联合国军司令部能否控制南朝鲜的政府和军队？如果不能，那么，朝鲜停战究竟包括不包括李承晚集团在内？”要求美方必须就能否控制南朝鲜政府和军队，保证停战协定的实施做出答复。美国政府则竭力推卸责任，表示尽力追回战俘。
为了加深美国和李承晚集团的矛盾，给以更大的压力，争取实现稳定可靠的停战，毛泽东决定在停战前再给南朝鲜以军事打击。到朝鲜准备参加停战协定签字的彭德怀，6月19日致电毛泽东，建议推迟停战签字时间，以便“再给李承晚伪军以打击，再消灭伪军一万五千人”。6月21日，毛泽东复电同意这一建议，并明确指出：“停战签字必须推迟，推迟至何时为宜，要看情况发展才能做决定。再歼灭伪军万余人，极为必要。”于是，志愿军总部决定立即组织金城战役，以狠狠打击南朝鲜军，促进朝鲜停战早日实现。为此，指示各兵团、各军，对原来预选的目标，如已准备就绪，应坚决立即攻歼之，如新选目标，抓紧时间准备。对美军及其他军队暂不作主动进攻，但对任何进犯之敌，均必须予以坚决打击。