根据李奇微的命令，美第8集团军对部署进行了调整，集中美军六个师、英军一个旅、土耳其军一个旅、南朝鲜军三个师，以汉城为重点，一线密集配置；东线从勿老里至东海岸部署南朝鲜军六个师，也成一线配置；美第3师、美空降第187团、英第29旅，分别置于西线京安里、永登浦、金浦地区，为美第8集团军的预备队。
志愿军第19兵团和人民军第1军团在西线积极佯动，成功地将“联合国军”主要作战集团抑留在了西线。第3兵团、第9兵团大军稍事整补，于5月9日起在第39军的掩护下移兵东线。
1951年5月16日18时，东线志愿军和人民军各突出集团发起全线进攻，开始第五次战役第二阶段的作战。
志愿军第9兵团（欠第26军，附第12军），配属炮兵四个团，在宋时轮指挥下，在金雄指挥的朝鲜人民军第2、第3、第5军团的协同下，采取多路突破，多迂回包围的战法，向县里地区的南朝鲜军第3、第5、第7、第9师发起攻击。
志愿军第20军在军长兼政治委员张翼翔指挥下突破南朝鲜军第7师防御，该军第60师奋力穿插，其前卫第178团第5连在连长毛张苗的带领下，十二小时内经大小战斗十三次，前进30公里，及时抢占合围要点五马峙。毛张苗荣立一等功，获一级战斗英雄称号。第60师于17日晨顺利攻占后坪里、美山里地区，切断了县里地区南朝鲜第3、第9师南逃之路。人民军第5军团于17日午前切断了县里之敌东南逃路，与志愿军第20军对敌构成合围。南朝鲜第3、第9师被压缩包围在县里地区。
第27军在军长彭德清、政治委员曾如清指挥下向南朝鲜军第5、第7师的接合部攻击。担任迂回任务的第81师猛烈向敌纵深穿插。该师师长孙端夫亲自率领第242团第2营为先导，勇猛打破南朝鲜军的多次阻拦，一夜前进28公里，占领严达洞公路两侧高地和砧桥、坊内里各要点，切断县里之敌西南逃窜之路。孙端夫荣立二等功，第242团第2营获“穿插模范营”称号。第81师和第60师在在美山里、上南里地区将南朝鲜第5、第7师击溃，全歼五个营3000余人。第12军突破后歼灭南朝鲜第5师一部，在自隐里北侧与美第2师和法国营展开激战，担负迂回任务的第31师一个团插入敌纵深。
至17日晚，志愿军和人民军通过穿插分割已切断了县里地区之敌的退路，构成了对敌的内层包围。在志愿军和人民军强大攻势面前，南朝鲜军全线溃退，四散奔逃。
为争取更大胜利，彭德怀致电宋时轮、金雄：必须贯彻大胆迂回与分割包围，以达全歼敌人的作战思想，不放松白天作战的任何机会，争取全胜。根据这一指示，第27军第81师迅速抢占苍村里、三巨里，第12军第31师继续迅速向束沙里、下珍富里攻击前进，人民军第2军团主力继续向下珍富里以东前进。
18日晨，南朝鲜第3、第9师开始向南和东南两个方向突围。第20军和人民军第5军团从东西两面出击。战至19日，将南朝鲜这两个师大部歼灭，缴获其全部重装备。
南朝鲜军的惨败，使“联合国军”总司令李奇微大为光火，他撤销了南朝鲜第3军团的建制，解除了南朝鲜第3师师长的职务。李奇微还对南朝鲜损失大量武器装备感到恼火，他感叹说：“所丢弃的这些武器不可等闲视之，这些武器装备足可装备好几个整师。”
第3兵团第15军在军长秦基伟、政治委员谷景生指挥下发起攻击后，第45师攻占沙五郎峙，歼灭美第2师200余人；第44师插向敌纵深，将在大水洞露营的美第2师第38团团部和第1、第2营大部歼灭。由于美第2师和陆战第1师在寒溪里——都十里一线继续顽抗，第15军前进受阻，未能进一步实现战役割裂任务。在这种情况下，第3兵团命令第60军第179师机动到春川以东，增强第15军方向上的突击力量。但由于敌主力已经靠拢，这一企图也没有实现。第60军的第180师积极进攻，于19日夜占领法所里，牵制当面之敌美军第7师，使其不得东援。
在东线歼敌的同时，西线第19兵团也对当面之敌发起进攻，歼敌一部，配合了东线的作战：
东线南朝鲜军在志愿军和人民军各突击集团的打击下，撤退到九成浦里——丰岩里——下富珍里——铁甲岭——仁邱里一线布防，“联合国军”的防线出现缺口。美第8集团司令范佛里特急令美第10军主力逐次东移，以阻止志愿军和人民军向西发展进攻；令集团军预备队美第3师迅速东援，堵塞战役缺口；令南朝鲜军战略预备队第8师立即从大田北上平昌、堤川，建立纵深防线。同时，令美第1军三个师又三个旅在西线加强对志愿军第19兵团的进攻，以减轻东线的压力。至5月20日，“联合国军”又重新形成了东西相衔接完整防线。
到这时，志愿军已在一个月之内连续进行了两次作战，部队相当疲劳，粮弹将尽，而且雨季又快到来，江湖沼泽在我后方，一旦山洪暴发、交通中断，部队补给将更加困难；此役未能消灭美军师、团建制单位，敌还有北犯可能，在这种情况下，若继续进攻，不仅不易消灭敌人，而且反而会增加自己的困难，不如后撤休整，寻机歼敌，更为主动。5月20日，负责东线指挥的志愿军第9兵团司令员宋时轮、副司令员陶勇和第3兵团副司令员王近山致电彭德怀、邓华、朴一禹，汇报了面临的情况，提出了收兵的建议。彭德怀同意前线指挥员的分析和建议，并将情况报告毛泽东。毛泽东于5月21日复电彭德怀：“根据目前的情况，收兵休整，准备再战，这个处置是正确的。
21日，第五次战役第二阶段作战结束，志愿军和人民军歼灭南朝鲜第3、第9师大部，重创南朝鲜军第5、第7师，并歼灭美第2师、陆战第1师各一部，共计歼灭南朝鲜军和”联合国军“23000余人。
四、一八○师的损失
5月21日，中朝联合司令部下达主力转移休整的命令。志愿军各兵团根据中朝联合司令部的部署，先后下达停止进攻、主力北移的部署命令。
5月23日，志愿军和人民军部队主力开始转移，各兵团留下一个师或一个军采取运动防御的办法，节节阻击，掩护主力休整。
然而，在志愿军主力刚刚开始转移，李奇微就采取所谓”磁性战术“，全线展开反扑。”联合国军“以坦克、炮兵和摩托化步兵组成特遣队，在空军和远程炮兵的掩护下，寻找志愿军和人民军防线上的空隙，向纵深猛插。并空降营连规模的兵力抢占后方要点，阻止志愿军主力北移。志愿军一度陷于被动，其中第60军第180师遭受了严重的损失。
对志愿军第180师的损失，长期以来有各种各样的不确说法。如说180师”未经激烈战斗，全师被歼“，”180师的军旗还在联合国“等等。第180师失利的过程到底是怎么样的？遭受多大程度的损失？失利的原因是什么？作为军事历史研究工作者，我们有责任利用我们掌握的档案资料，真实客观地回答这些问题。
第60军原定在加平——苍洞里一线展开，组织防御。5月9日上午，鉴于运输力的缺乏，伤员转移缓慢，第3兵团首长决定各部暂先不撒，在原地阻击北犯之敌，以掩护伤员转移。
第60军第179师和第181师在战役的第二阶段分别配置第12军和第15军作战，此时尚未归建。因此，在北汉江南岸地区一个军的防御地域内只有第180师一个师担任防御任务。韦杰等本来计划第180师在北汉江北岸春川西北地区组织防御，接到兵团5月23日上午的命令后，改变原定计划，于当日晚做出新的阻击部署，即命令第180师在北汉江南岸的汉谷、正屏山地区抗击”联合国军“的反攻，命令第179师在大龙山及以东地区阻击。同时命令这两个师在北汉江南岸的部队争取阻敌五天的时间。
此后，虽然第179师和第181师先后归建，投入防御作战，但是，第60军没有根据敌情、我情及时调整防御部署，仍将三个师一线展开于30余公里的正面，与友邻部队间也没有进行很好的协调，致使该军未能进入原定防御地区，结果造成机山里至沐洞里段出现空隙。同时，第60军的右翼第19兵团第63军一个师已经在23日晚向北转移，因此，在第3兵团和第19兵团的接合部又出现了空隙。
5月24日，美第25师”特遣队“乘隙楔入志愿军防线，进占志愿军第180师右侧后的加平——济宁里——城蝗堂一线；美第7师”特遣队“进占第180师左侧后的春川；从第180师正面进攻的南朝鲜第6师已进至北汉江南岸的江村，控制了江村里渡口。虽迟滞了敌人的进攻但自身伤亡也很大的第180师，处于三面受敌、背水作战的极其不利的境地。
24日11时30分，第60军致电第3兵团，提出阻敌北犯的两个方案：一是以第180师位于北汉江南岸的部队实施小的反击，争取在24至25日两天之内保持现有阵地，25日晚主力转移到北汉江以北地区；第179师位于昭阳江以南的部队也同时北移到江北地区；二是以第179师左翼协同第180师实行大的反击，求歼向正屏山进攻之敌一部，以争取较长的时间，掩护兵团主力北移及伤员转移。
由于信通联络方面的问题，到第二天下午6时50分第3兵团才答复第60军：同意提出的第一方案。第3兵团并指示第60军：除以一个师控制于加平至新延江以北山地担负阻击敌人的任务外，军主力转至冠厅里、场岩里、史仓坦克地区进行短期休整。而此时，第60军鉴于第180师的危险处境，为摆脱不利局面，已于24日命令该师撤到北汉江以北的退洞里、三巨里地区。第180师接令后于24日晚开始渡江北撤，并节节抗敌敌人的进攻，继续掩护主力和伤员转移。到25日佛晓，师主力撤至江北鸡冠山——北培山——上芳洞——明月里一线，但是没有能够确实控制要点。美第24师和南朝鲜第6师各一部从西面和南面联合攻击鸡冠山，志愿军第180师顽强阻击，经几个小时的激烈战斗，将美第24师进攻部队打退，但是最后阵地还是被南朝鲜第6师部队夺去。
25日，志愿军第60军命令第180师继续北移到蒙德山——架德山——退洞里以北一线高地阻击。同时命令第179师第536团在春川以北梧口南里、马坪里占领阵地，阻击由春川北犯的美第7师，掩护第180师北移。
但是，当时第179师第536团有两个营已失去联系，第180师在北移过程中，需翻山越岭转移，由于道路狭窄，自身尚有300多名伤员需要转运，又要与美第24师、南朝鲜第6师部队作战，因而行动较慢，25日夜未能到达指定地区。此时，第180师阵地右侧后阵地已被美第24师部队攻占，从春川方向进攻的美第7师部队攻占了志愿军第179师一部在西上里、退洞里的阵地，志愿军180师被分割于北培山、驾德山、梧月里地区，形势相当危急。
25日，由于”联合国军“继续进攻，志愿军在加平东北至抱川东北的芝岩里、官厅里至机山里防线出现一个大的空隙，而且“联合国军”已进至县里及其以北、加平以北地区，判断其有进攻金化的充分可能，于是，志愿军司令部调整部署，其中令第60军迅速转移到机山甲东北的场岩里、国望峰、史仓里地区，坚决阻击当面之敌的北犯。
同一天，从正面进攻的南朝鲜第6师继续向北推进；美第7师突破志愿军第179师阵地，将志愿军第179师与第180师的联系完全切断，并继续向第180师侧后攻进，将第180师的退路切断；从左翼进攻的美第24师占领松亭里、滩甘里、间村。这样，在芝岩里以南地区的志愿军第180师几乎完全被“联合国军”包围。
这一天下午4点半，志愿军第180师紧急致电第60军，报告部署所处的危急局面，并决定26日傍晚向西北方向突围。第60军此时援救第180师要紧，志愿军司令部要其在场岩里、国望蜂、史仓里阻击的任务无法实现，志愿军司令部立即改令第15军担负该线的防御任务。第60军于下午6时命令第179师第536团从芝岩里以东展开反击（该团因自身有两个营被敌隔断，正在激战中，掌握兵力较少，经军批准未出击），令第181师从华川地区出发救援第180师。同时，第60军建议第3兵团主力紧急支援第60军作战。
正在与敌激战的第181师接到救援第180师的命令后，立即收拢部队。但因师团间电话中断，徒步传达命令时间耽搁，加上天降大雨，道路崎岖，到当晚24时才开始西进。27日，紧急驰援的志愿军第181师在沦味里、场巨里、原川里与北进之敌遭遇受阻，援救计划未能实现。第60军的第一次救援行动失利。
26日下午6时，连续激战没有休整的第180师开始了艰难的突围行动。师主力经贺德山、蒙德山突围，于27日上午9时到达鹰峰，其余部队经纳实里、间村迂回突围，在27日9时也到达了鹰峰，与师主力会合。由于战斗不断，部队已经断粮，弹药也极少，加上联络中断，敌人炮火的严密封锁，山路的崎岖，失散人员较多，此时全师人员已不到1000人。
27日，志愿军司令部令第3兵团主力解第180师之围。但此时，第3兵团的第12军正在转进之中，于是，第3兵团于当日12时令第15军派部队到场岩里、广德里接应，令第60军不惜一切代价救援第180师，并指示第180师干部要沉着冷静，很好地掌握部队，保持建制，利用敌人的空隙，将部队撤回。几个小时之后，第3兵团又电示第60军，令第180师不顾一切牺牲，由师团干部带队，选最强的部队，组织好火力，从芝岩里、华岳里之间，选敌空隙，沿红碛岭、芳确屯、狮子岭，杀出一条血路，向史仓里至松亭里之间方向突围。在此之前，第60军第180师已下了坚决向史仓里方向突围的命令，同时令第179师取捷径向史仓里以南之敌出击，接援第180师。
接到命令后，第179师立即出发。但由于山高路险，敌人火力封锁严密，到28日5时，才有一个营赶到明芝岘、下实乃里地区。而此时“联合国军”已经分三路进攻史仓里，并于28日下午攻占史仓里，使其东西阵地连成一线。第60军的第二次救援行动失利。