志愿军第15军在完成决定性反击准备后，决定首先反击597.9高地，于10月28日和29日，以野炮、榴弹炮进行了预先炮火准备，猛烈轰击"联合国军"在597.9高地表面阵地上构筑的地堡和防御设施。
10月29日夜晚，第15军以第86团和第134团各1个连，越过"联合国军"炮火封锁区，神不知、鬼不觉地进入597.9高地坑道，与原坑道部队一起作为反击的第一梯队。以第86、第134、第135团共7个连组成反击的第二梯队；第91团集结于五圣山前1000、700、511等高地一线，作为反击部队的后备梯队。
10月30日晚9时，志愿军的决定性反击开始了，在志愿军炮兵强大炮火的掩护下，第15军的突击队多路、多波次地向597.9高地的敌人发起进攻，经过5个小时的激战，将南朝鲜军第2师第31团1个营又1个连全部歼灭，并击退南朝鲜军1个营的多次反扑，歼其一部，恢复了该高地大部阵地。
10月31日凌晨4时，"联合国军"开始更大规模的反扑。由南朝鲜军第2师第31团和埃塞俄比亚营充当主要攻击力量。4个营的敌人共发动了40多次进攻，仅仅战斗了一天，南朝鲜军第31团便完全丧失了战斗力。《韩国战争史》记载，这个团直到朝鲜战争结束也没能恢复元气。
11月1日，战斗愈演愈烈，成为一场名副其实的"打钢铁"的现代化战争。在这一天的战斗中，"联合国军"集中了数10架飞机、70余辆坦克和大量火炮，共发射了12万余发炮弹。双方炮群都瞄准了597.9高地，你炸一遍，我轰一通，你拦击我的增援，我袭击你的反扑。597.9高地阵地上浓烟蔽日，火光冲天。8米多厚的坚石坑道都被炸塌了，土松得连机枪都没法架，志愿军战士们只好用麻袋包垒起射击台射击。"联合国军"虽然气势汹汹，但经过几天的鏖战却已是强弩之末，再也没能夺去597.9高地。
"联合国军"在597.9高地失败后，范佛里特迅速调整部署，增调火炮，加修工事，积极加强537.7高地北山的防御，同时急调南朝鲜军第9师增援第2师，企图集中力量固守537.7高地北山。
11月5日，志愿军第3兵团成立五圣山战斗指挥所，作为第15军的前方指挥所，归第15军军长秦基伟直接指挥，由第12军副军长李德生负责统一指挥第31师、第34师的反击作战和第15军第29师的配合动作。
为了争取战役的全胜，志愿军第3兵团根据志愿军司令部关于"坚决战斗下去"的指示，决定尽全力乘胜反击537.7高地北山之敌。第3兵团随即调整部署，将第15军第45师除炮兵，通信和后勤保障部队外，撤出战斗进行休整，由第12军第31师接替执行上甘岭地区的作战任务，第12军第34师两个团(第100团、第106团)为预备队，并抽调火炮，将支援上甘岭作战的火炮增至300余门。
11月6日，志愿军司令部向中央军委报告了继续反击的决心和部署。7日，毛泽东以中央军委名义复电同意，并指示：此次五圣山附近的作战，已发展成为战役的规模，并已取得巨大的胜利。望你们鼓励该军，坚决作战，为争取全胜而奋斗。
上甘岭小小山头上的浴血奋战，因为关系全局，因为不断涌现出黄继光等一大批舍生忘死的勇士，一直牵动着志愿军全军将士的心。中央军委、毛泽东主席的指示，上甘岭上的浴血奋战，使志愿军全军受到了极大的鼓舞，从志愿军司令部到兵团以及其他兄弟部队，都全力进行支援。上甘岭作战要什么有什么，自入朝作战以来，志愿军好像从来没有这么阔绰过。兵员、武器、弹药、粮食、医药器材，源源不断地运往前线，全军上下都为争取全胜而斗争。
537.7高地北山阵地狭窄突出，受"联合国军"注字洞南山和537.7高地主峰，以及志愿军在战前主动放弃的597.9高地东侧11号阵地的三面包围。敌人在10月30日控制表面阵地后，以南朝鲜军第2师第17团1个营据守，动用大批南朝鲜劳工和士兵，昼夜突击，构筑了比较坚固的野战工事，设置了铁丝网、地雷等大量障碍物，并采取各种手段对志愿军坚守的坑道进行破坏，组织严密的火力，封锁中国军队向该阵地接近的道路。
尽管敌人严密设防，志愿军第12军还是将作战部署作了相应的调整，悄悄完成了部队轮换。将坚守537.7高地北山坑道的第29师第87团调到二线休整，以第31师第92团及第93团一部担负反击和巩固537.7高地北山的任务，以第91团及第93团一部继续巩固597.9高地阵地。
11月10日，朝鲜的寒冬悄然而至，从凌晨开始，气温降至零度以下。志愿军第12军决定次日以第92团第1、第7、第8等3个连的兵力，反击537.7高地北山的敌人。为了减少战斗发起后部队在接敌运动中遭敌炮火杀伤，便于紧接炮火延伸时突然对敌发起冲击，各突击队于10日夜，不顾严寒，隐蔽运动至537.7高地北山坑道内和敌前沿岩下待命出击。