"聯合國軍"不甘心夏季攻勢的失敗，又於1951年9月29日發動了秋季攻勢，將進攻重點轉向志願軍陣地。"聯合國軍"採取逐段進攻、逐步推進的戰法，並投入大量的坦克，在西線開始發動攻勢。
9月29日，位於鐵原地區的美第3師2個團，首先在100門火炮和60輛坦克配合下，向志願軍第47軍防守的夜月山、天德山至大馬裡地段進攻，並以夜月山突出陣地為重點，以數萬發炮彈猛烈轟擊。激戰終日，志願軍防守夜月山的第423團第6連，連續擊退敵人14次衝擊，殺傷敵800餘人。在天德山方向，志願軍陣地屹立未動。
從10月3日開始，"聯合國軍"集中美騎兵第1師、美軍第3師2個團、大英國協第1師，在200餘輛坦克、300餘門105毫米以上口徑的火炮和大量飛機支援下，向志願軍第64、第47軍防守的朔寧以南防內洞、高旺山、馬良山、高作洞至鐵原以西大馬裡40公裡，正面發動了猛烈進攻。
志願軍防守部隊在積極防禦、節節抗擊、反覆爭奪、殲滅敵人的原則指導下，有重點地部署兵力、火力，以堅決阻擊和連續反衝擊，英勇頑強地同敵進行戰鬥。每一個陣地均經10餘次反覆爭奪。有的連隊只剩下10餘人，仍頑強地堅守陣地。
在志願軍第64軍防禦正面，大英國協第1師及美騎兵第1師一部重點進攻高旺山和馬良山陣地，每天均以1至2個團的兵力實施進攻。戰至10月4日，我予敵大量殺傷後，主動撤離高旺山及其以西227.0高地。
10月5日6時，敵人以4個營的兵力，在坦克50餘輛、飛機40餘架及炮火的支援下向我進攻，首先以1個多營向馬良山衝擊數次均被擊退。
敵另2個連兵力向216.8高地誌願軍第191師第571團第7連衝擊5次，該陣地曾兩度易手，我防守分隊在炮火的有力支援下，以頑強的反衝擊奪回。
大英國協第1師1個多營繼續向馬良山正面連續衝擊，美騎兵第1師2個營從馬良山側後進攻。堅守衛馬良山的第571團第1連、第5連擊退敵7次衝擊，戰至下午3時05分，馬良山主峰被敵佔領，當晚師組織4個連的兵力，在炮火有力支援下，向馬良山之敵進行反衝擊，恢復了該師陣地。當日斃傷敵800餘人，擊毀敵坦克3輛。
6日7時20分，"聯合國軍"以1個團的兵力復向馬良山主峰第571團第1連、第5連及216.8高地第571團第7連進攻，馬良山陣地曾一度陷入敵手，隨即為我反衝擊奪回，敵向216.8高地以猛烈炮火轟擊數萬發炮彈，衝擊13次，終因我工事被毀三面受敵，在敵眾我寡的情況下，該陣地曾一度失守，後第7連又在炮火支援下反衝擊奪回。
7日5時30分，"聯合國軍"以5日以來所未有的大量炮火，對216. 8高地和馬良山主峰連續轟擊達3小時之久，並以8架飛機輪番轟炸掃射，使我軍陣地變成了一片焦土，但卻不能迫使我志願軍後退半步。
8時30分，"聯合國軍"又以步兵1個團的兵力在60餘輛坦克的支援下向我發起進攻，其一路約2個營輪番向馬良山主峰衝擊，陣地兩次失守，均被我反衝擊奪回。另一路約1個營的兵力向216.8高地先後衝擊6次，均被擊退。
為保存實力，繼續阻擊敵人，7日夜我軍奉命主動撤離馬良山和216.8高地，該地區遂為敵人佔領。
戰至10月8日，第64軍在給敵以大量殺傷後，主動撤至黃雞山、基谷山、白石洞、伍炭裡一線繼續堅守防禦。這時，大英國協第1師因傷亡過大，被迫停止進攻。經過5晝夜激戰，敵人傷亡2600餘人，只前進3公裡。
在西線之敵轉入重點進攻之時，10月5日，美第2師和南朝鮮第8師集中3個團的兵力向東線人民軍防守的文登裡以南公路兩側高地發起了進攻，並於次日先後佔領了公路兩側的部分高地。
這時，朝鮮人民軍第5軍團久戰疲勞，亟待休整，志願軍第68軍接替北漢江以東人民軍第5軍團的防禦任務。從10月8日起，敵人的攻勢轉向東線我第67, 68軍防禦正面，即北漢江東西地區。10月8日，美第2師和南朝鮮第8師及法國營，乘第68軍接防之際，在40輛坦克的配合下，向文登公路至北漢江地段發起進攻。敵集中大量坦克沿文登公路向北猛突，實施所謂"坦克劈入戰"。
志願軍第68軍在敵情、地形不熟、工事薄弱的情況下，一面接防，一面抗擊敵人的進攻。至10月10日接防完畢，文登公路以西陣地被敵突人6公裡。
為了阻止敵人坦克集群的進攻，擔任文登公路防守的第204師在全師範圍內抽調人員和反坦克火器，包括12門野炮、49門(具)無後坐力炮和火箭筒以及1個工兵連，組成堅強的反坦克大隊。
10月12日上午，文登公路上煙塵滾滾，馬達震動山谷，"聯合國軍"以49輛坦克向我陣地開進。當敵坦克開進到離我前沿陣地2公裡時，美國駕駛員打開炮塔的頂蓋，探出頭來觀察四周的動靜。這時，隱蔽在公路兩旁的我軍反坦克部隊，立即射出密集的炮火，敵人9輛坦克被擊毀，其餘的立即掉頭逃跑。
第二天天剛亮，敵人又以18輛坦克開到我軍陣地前沿不遠處，盲目地向我陣地上發射了數千發炮彈，然後有7輛坦克越過文登小橋，企圖把昨天被我打毀的坦克拖回去，不料志願軍戰士們早在毀壞的坦克周圍埋設了地雷，一下又將敵人坦克炸毀4輛。
在粉碎敵"秋季攻勢"中，志願軍第67軍與68軍共擊毀敵坦克67輛，擊傷8輛。從而提高了志願軍打坦克的技術與戰術，嚴重打擊了敵人坦克進攻的氣焰。
"坦克劈入戰"宣告失敗後，"聯合國軍"將進攻重點轉向文登公路以西地區，南朝鮮第8師以兩個團的兵力向第68軍第612團第1連堅守的938.2高地實施猛烈進攻。
938.2高地是我陣地防線上突入敵方的一個楔子尖，東線制高點魚隱山緊靠著它的脊背。敵人企圖拔掉它以奪取魚隱山，以便長驅直達元山，實現"到元山過冬"的夢想。
10月16日，南朝鮮軍在炮火支援下，開始向938. 2高地發起進攻。第612團1營1連連長高成山到4班陣地指揮戰鬥。
當敵人距離陣地只有30米時，隨著高成山一聲令下，幾十顆手榴彈同時投向先頭的敵群。敵人慌亂地逃走了，攻上來的大約1個排的敵人，除7人僥倖逃走外，其餘都在陣地前沿的山坡上倒下了。這一天，1連打退了敵人的7次衝擊，單是敵人拖走的敵人死屍就有140多具。
次日清晨，敵人猛烈的攻擊又開始了。7架飛機在上空輪番投擲炸彈和凝固汽油彈，數十門大炮的炮彈傾瀉到陣地上。在不到2平方公裡的三角形陣地上，敵人進行了毀滅性的轟炸，足足持續了3個小時。整個山嶺被煙塵遮蓋著，煙火四起，昨天搶修的工事被炸平，戰士們的臉上全被菸灰燻得漆黑。
敵機的怪叫聲消失了，敵步兵向陣地接近。戰士們用步槍、衝鋒鎗、手榴彈，一次次把敵人打下去。
高成山指揮著戰鬥，哪裡出現險情，他就戰鬥和指揮在那裡。敵人由1個排逐次增加到1個營，進行了無數次的衝擊，但在我勇士們的猛烈打擊下都退卻了。
激烈的戰鬥持續到下午，1連5班的陣地被敵人佔領了。高成山立即趕到5班。5班守衛在一條被打得不成形的塹壕裡。有的戰士頭部纏滿了繃帶，有的還穿著燃燒彈燒過的棉衣。但是他們的戰鬥意志絲毫沒有減退，打退了數十倍於己的敵人的10多次衝擊。
高成山從全班挑選出5名戰士組成反擊小組，由班長郭德志帶領。為了加強反擊小組的火力，除配給他們1挺機槍外，所有的人員都用自動槍，並從其班裡抽調給他們足夠的彈藥。
反擊已經開始了。機槍手佔據有利地形，向失去的陣地上的敵人猛烈地掃射著，壓住了敵人的火力，郭德志帶著5名戰士分2路繞向敵人的側後。他們在敵人密集的槍彈中迅速前進，很快地從敵人的背後猛撲上去。
突然，一陣手榴彈向他們飛了過來，郭德志又一次負傷。他支撐起身子，連續向敵人扔了幾顆手榴彈，就往上衝去，戰士們緊跟著班長，趁著手榴彈爆炸的煙霧衝了上去。
這一天，郭德志率領全班消滅了100多敵人。他自己身負重傷，從昏迷中醒來時，仍拒絕戰友們送他下去，他要留在陣地上看著戰友們打擊敵人。直到生命的最後時刻，還囑咐戰友："好好打，陣地要緊，勝利是咱們的！"
當日黃昏，師首長通過電話嘉獎了1連，並且告訴他們，上級已批准了帶領全班反衝擊取得成功的5班長郭德志記一等功。
第4天上午，當高成山正在指揮1排戰鬥時，8班戰士打完了最後一顆子彈後，在班長張佔其的帶領下同敵人展開了拼刺刀的戰鬥。全班同志們全部壯烈犧牲。
激戰的第5天，高成山把各排陣地上的戰士都撤到連的主峰上。這時全連僅剩下30來人了。
天剛破曉，敵人向主峰發射了1000多發炮彈，敵人把2個團的殘部拼湊起來，全力攻取主峰。戰鬥從早打到傍晚，高成山帶領著戰士們連續打退敵人多次進攻。在山頭周圍堆滿了敵軍的屍體。數十倍的敵人靠著飛機和炮火的掩護，整整一個白天，始終不能接近山峰。
傍晚，敵人又瘋狂地撲上來了，子彈打光了的戰士，就用鐵鍬和拳頭與敵人扭打。戰士們一個一個倒下去，敵人一步一步攻上來。高成山看著敵人的瘋狂氣焰，看著倒在血泊裡的戰友，無比憤怒。他向無人守衛的重機槍陣地飛奔前去。但是，就在這一剎那，在他剛剛踏進了前面的一個步槍小組工事裡的時候，一顆子彈擊中了他。他倒下了。
正在激戰中的戰士餘獻榮，看到在血火中下去的連長，悲痛的淚花從眼眶中湧出來。
"為連長報仇！"一股復仇的怒火在他身上燃燒著。他端起機槍把敵人擊斃，隨後又跟著剛剛衝上來的增援部隊，一起向敵人衝去。
5天來，敵人以2個團的兵力，在每天40餘架飛機配合下，死傷了1800多人才攻到主峰，又被英勇的戰士們趕下去了。
高成山犧牲時年僅29歲，他帶領全連堅守陣地5天4夜，斃傷敵人1800餘人。志願軍領導機關給高成山追記特等功，追授"一級戰鬥英雄"稱號。
"聯合國軍"在志願軍第68軍正面把進攻重點轉向文登公路以西的同時，從10月13日開始，以美第7、第24師，南朝鮮第2、第6師共4個師的兵力，在14個炮兵營、200餘輛坦克及大量航空兵支援下，向志願軍第67軍西起芳通裡(金化東北7.5公裡)、東至舊岱以南24公裡防禦正面發起猛攻。
敵每天發射炮彈5萬至10萬發，出動飛機最多時達130架次，對志願軍每一個連的陣地均集中密集火力，以營團兵力進行輪番攻擊。志願軍第67軍配屬炮兵6個營依託陣地頑強阻擊。
激戰3天，志願軍斃傷敵1.7萬餘人，敵僅前進2公裡。美軍第7師因傷亡慘重，被迫於15日撤至二線休整。
"聯合國軍"攻勢連連受挫後，轉為集中兵力、火力對志願軍第67軍防守的金城以南若干要點逐個進行重點攻擊，主要目標為月峰山、602.2 北無名高地、梨船洞東北無名高地、蘆洞裡北山要點。
"聯合國軍"轉入重點進攻後，對每一要點的進攻均使用2個營以上的兵力，進行支援的坦克少則20輛，多則40——60輛；發射炮彈少則1萬發，最多達3萬發。
志願軍第67軍防守部隊頑強阻擊，邊打邊補充，邊打邊組織，邊打邊搶修工事，晝間抗擊，夜間反擊，與敵進行反覆爭奪。防守月峰山的第200師第599團1個連，抗擊南朝鮮第2師2個營並美軍40輛坦克的連續攻擊，陣地主峰落炮彈1萬餘發，汽油彈20餘發，陣地全部成為焦土，至10月17日9時，斃傷敵800餘人，炮兵擊毀敵坦克13輛。
堅守在梨船洞地區的第599團3個連，抗擊了敵人1至3個團在60餘輛坦克、10餘架飛機支援下，連續4晝夜的輪番攻擊，斃傷敵達4000餘人。
戰至10月22日，在志願軍頑強阻擊下，"聯合國軍"停止了對金城地區的進攻。至此，志願軍經過1個月的英勇奮戰，粉碎了"聯合國軍"的秋季攻勢，斃傷俘敵7.9萬餘人。其中在金城以南地區與敵激戰10晝夜，擊斃傷俘敵2.3萬餘人，擊毀擊傷敵坦克47輛。"聯合國軍"在秋季攻勢中付出慘重代價，佔去土地467平方公裡。
中國人民志願軍和朝鮮人民軍在1951年夏秋季防禦作戰的勝利，有力地打擊了"聯合國軍"的囂張氣焰。美國參謀長聯席會議主席布萊德雷認為"聯合國軍"這種攻勢在戰略上是失敗的，他在給杜魯門的報告中說："李奇微所施行的佔領個別高地的戰術，不符合美國在遠東的全盤戰略，……用這種戰法，李奇微至少要用二十午的光景才能到達鴨綠江。"
此後，"聯合國軍"在長期的對峙作戰中，再也不敢冒險發動全線大規模進攻了。同時，美方企圖以軍事壓力迫使朝中方面在軍事分界線問題談判中屈服的妄想破滅了，不得不放棄原來無理的要求，重新恢復停戰談判。