美军的夏季攻势被粉碎后，并不甘心失败，仍企图以军事压力达到其在谈判桌上所提出的无理要求。在经过充分准备后，于９月29日至10月22日，发动了秋季攻势。美军秋季攻势的攻击重点，集中在西线志愿军防御阵地。志愿军第一线的６个军（第64、47、42、26、67、68军）中，有4个军的阵地遭到敌人９个师的攻击。
９月29日，敌人采取“逐段进攻、逐步推进”的战法，首先以美英军３个师在西线开始了试探性进攻，企图迫使志愿军放弃临津江左岸至铁原以西一线阵地，并从侧翼威胁开城。美３师以夜月山为重点，首先向志愿军第47军阵地夜月山、天德山至大马里地段猛攻。
10月3日，“联合国军”集中美骑１师、美３师和英联邦第１师等部，在200多辆坦克、300多门火炮（105ｍｍ以上口径）和大量航空兵支援下，向志愿军第64军、47军防守的防内洞、高旺山、高作洞、天德山至大马里一线发动了猛烈进攻。志愿军防守部队在积极防御、节节抗击、反复争夺、歼灭敌人的指导原则下，有重点地部署兵力、火力，以坚决阻击与连续反冲击，同敌进行了英勇顽强的战斗。每一阵地均经数次至十数次反复争夺。志愿军有的连队战至只剩十几人，仍坚守阵地，战况异常激烈。
在第47军防御正面，进攻的为美骑１师、美３师等共５个多团的兵力，其进攻重点是天德山及其以西418高地。10月3日清晨，美军第3师第15团和美骑1师一部，在10个炮兵群、25辆坦克和12架飞机的配合下，向天德山阵地发起猛烈进攻。志愿军47军某部第5连官兵英勇抵抗，激战9小时，打退美军11次进攻，毙伤300余人。4日，连队组织小分队主动出击，又毙伤敌人80余人。
3日和4日，美军在强大炮火掩护下，连续实施连、营集团进攻。志愿军第5连舍生忘死，顽强抗击，接连打退美军5次攻击。弹药打光后，用铁锹、枪托、石头与冲上阵地的美军展开激烈搏斗。连队伤亡严重，连长杨宝山牺牲，指导员阎成恩组织仅有的2名伤员和1名通信员顽强坚守，在兄弟连队增援下，击退美军进攻。经4昼夜激烈战斗，全连毙敌800余人。志愿军领导机关授予该连“天德山英雄连”荣誉称号，并记集体特等功。志愿军防守天德山及其以西418高地的第141师１个营，每天抗击敌人两个步兵团的连续进攻，平均击退敌10多次进攻。激战至５日，最后只剩副团长带10余名轻伤员，仍顽强坚守住天德山阵地。最后在遭敌三面包围的情况下，才主动撤退。
志愿军第64军第191师在临津江以西马良山、高旺山地区进行防御。10月3日开始，英联邦第1师及美军骑兵第1师第5团一部，在炮兵6个营、坦克120余辆及大量飞机支援下，每天以1—2个团的兵力，向第191师防御阵地实施逐点、多梯队的轮番攻击。第191师先后加强15个炮兵连、3个高射炮兵营、2个坦克连，依托重型掩蔽部和野战工事，控制前沿阵地，扼守纵深要点，抗击英、美军的进攻。各要点均经反复争夺，阵地多次易手。5日，英、美军把进攻重点指向马良山主峰及其西南216.8高地，坚守主峰的2个连打退美军10余次冲击，毙伤其百余人；坚守216.8高地的一个连，依托坑道式工事，一天击退英、美军21次冲击，毙伤其700余人，该连伤亡26人。战至8日，第191师主动撤至黄鸡山、基谷里、白石洞一线，继续进行防御。英联邦第1师以伤亡2600余人的代价，前进3公里，占领了马良山。
６日后，敌开始在强大火力支援下，逐点攻击334高地至高作洞地段。志愿军在346.6高地、287.2高地、345.6高地与敌展开反复争夺。11日，志愿军向进占上浦防之敌举行反击，全歼美骑１师两个步兵连和一个火器连。战至18日，志愿军主动放弃该线阵地，“联合国军”在西线发动的攻势,也因伤亡惨重而被迫停止。志愿军共毙伤敌2.2万余人，“联合国军”仅前进３—４公里。
从10月８日起，“联合国军”攻势转向东线。新入朝的志愿军第二十兵团第67、68军刚刚接替防务，当即遭到敌６个师的全线进攻。
第68军坚守在文登里一带阵地上，在10月7日开始与朝鲜人民军第5军团交接防务，美军侦察发现后，就在第二天开始向志愿军68军发起进攻。美军攻击文登里时用了个新招法：“坦克劈入战法”。所谓“坦克劈入战法”，就是每次以几十辆坦克组成装甲集群，在空军的掩护和步兵、工兵伴随下，一面以火炮和坦克炮向志愿军阵地密集射击，一面沿山路以坦克高速迂回割裂志愿军各高地的防御阵地，然后由步兵进行逐山占领。10月8日这一天。美军先出动了10多架飞机沿纵深地段进行轰炸，又以炮兵、坦克炮对文登公路两侧的635.8高地、709.6高地及纵深上下深浦地区进行猛烈炮击。然后，美军一个步兵团在48辆坦克支援下，向文登公路突击。68军610团反坦克大队，事先把反坦克火器，全部隐蔽在公路两侧的山脚棱坎和反坦克壕中。他们把敌人坦克放到几十米处才开火，当前面的坦克被击毁、后面坦克速度减慢队形密集之际，以防坦克炮和山炮直接瞄准以交叉火力猛烈射击。同时，无后座力炮、火箭炮游动射击。在坦克掉头回窜时，又组织步兵反坦克小组用反坦克手雷、爆破筒予以截击。敌人的“坦克劈入战法”失灵。此后的十几天里,志愿军第610团的英雄们粉碎了敌人多次的坦克集团冲锋,仅12日至14日3天，即击毁敌坦克18辆、击伤８辆，从而阻止了敌坦克集群的进攻。至10月20日，经13昼夜激战，第68军在人民军密切配合下，阻止了敌人进攻，毙伤敌7600多人，击毁坦克28辆，击伤坦克８辆，顽强坚守住了文登里主阵地。
志愿军第二十兵团第67军接防金城以南的新阵地后，自10月13日起，也受到美军“坦克劈入战法”的进攻。第67军各连队都组成反坦克小组，师、团组成反坦克队，大破美军的“坦克劈入战法”。经10昼夜激战，第67军共击毁敌坦克39辆，击伤８辆，歼灭敌人2.3万余人，阻止了美军在金城以南地区的攻势。
美军因伤亡惨重和疲劳过度，在整个战线上被迫停止进攻，至此美军的秋季攻势被彻底粉碎。志愿军在一个多月的秋季防御作战中，共毙伤俘敌7.9万多人。
美军的秋季攻势，仅攻占土地467平方公里，每占领1平方公里土地，美军平均付出170人伤亡的代价。美国参谋长联席会议主席布莱德雷认为，“联合国军”这种攻势在战略上是失败的，“用这种战法，李奇微至少要用20年的光景才能到达鸭绿江”。美军得不偿失的进攻，在美国国会中引起了强烈的不满。国会议员们认为，总的态势并无明显改善，不值得付出如此重大的伤亡。美军的秋季攻势，未能达到以军事压力迫使朝中谈判代表团接受其无理要求的目的，并且付出了如此重大伤亡，美国不得不重新回到谈判桌上来。
