中朝军队为继续歼灭联合国军有生力量，使其难以抽出兵力实施侧后登陆，并多歼南朝鲜军以孤立美军，决定第9、第3兵团隐蔽东移，实施第二阶段作战。
计划首先集中兵力歼灭县里地区南朝鲜军第9、第5、第7、第3师，然后视情况再围歼南朝鲜军11师和第首都师。
以人民军第1军团和第19兵团在汉城东西地区渡江佯动，第39军主力南渡昭阳江，掩护第9、第3兵团东移。
4月30日,联合国军为查明中朝人民军队动向, 并掩护其调整部署，以一部兵力转入反攻。至5月8日，进占龙浦里、麟蹄、高阳、议政府、于论里一线。
此后转入防御，在勿老里至西海岸部署了美军6个师，土耳其军、英军各1个旅，南朝鲜军3个师，以汉城为重点，成一线密集配置。
在勿老里至东海岸部署南朝鲜军第11、第9、第7、第5、第3师、首都师，6个师成一线配置。英军第29旅、美军第3师、美军空降第187团为预备队，分别配置于金浦、京安里、永登浦地区。
5月16日黄昏，中朝人民军队发起第二阶段进攻，第9兵团(第27、第20军，附第12军)及人民军第5、第3、第2军团采取正面突破、两翼迂回、层层包围、多路钳击的策略，在雪岳山至勿老里地段进行突击。
第27、第20军各一部于17日晨突入纵深26公里左右，抢占镇东里、旺盛谷、后坪里、砧桥等要点，切断了南朝鲜军第9、第3师南逃退路，在上南里、美山里地区将南朝鲜军第7、第5师击溃，并歼灭5个营。
18日，第20军在人民军第5军团配合下，向被围在县里地区的第9、第3师展开猛烈攻击，经两日激战，将其大部歼灭，缴获全部重装备。
第12军突破后，在自隐里、三巨里地区歼灭美军第2师2个营、法国营大部及南朝鲜军第5师第35团一部。
19日，志愿军第27、第12军和人民军第5军团各一部向南发动进攻，于20日进至皮木亭、束沙里一线。
第3兵团(第60、第15军，附第39军主力)向九城浦里突击，割裂美军与南朝鲜军的联系，阻拦美军第10军东援。
第15军于17日晨攻占沙五郎峙等地，18日在大水洞地区歼美军第2师第38团团部及第1、第2营大部；第60军19日攻占洪川江以北法所里地区, 阻拦美军第7师东援。
第19兵团及人民军第1军团在加平至高阳的宽大正面上，向议政府以南水落山及汉江以北磨清平川、石隅里地区进攻，并于17日顺利攻占各地，有力地牵制了联合国军。
20日，东线南朝鲜军在中朝军队连续五昼夜的突击下，撤至下珍富里、九丰岩里、城浦里地区。
美军第10军主力逐渐东移，美军第3师由京安里东调至下珍富里、丰岩里地区，堵住被打开的缺口。
南朝鲜军第2军团第8师由大田北调平昌，建立纵深防御，至此，又形成东西相联的完整防线。
中朝人民军队经过连续作战，储备即将耗尽，继续进攻颇为困难，加上西线美军已开始进攻，为保持主动，于21日结束第二阶段作战。
