经过两天的空袭后，多国部队的地面进攻于1952年10月14日04:00正式打响，韩美集中炮击在志愿军第15军控制的30公里。05:00，美军的280门火炮和榴弹炮扩大了射程，使韩美步兵能够在硝烟弥漫的掩护下推进。美军的集中轰炸成功地清除了多国部队的前进道路，摧毁了597.9高地和537.7高地这两个阵地的大部分地面防御工事，猛烈的炮击还中断了志愿军通讯线路，摧毁了该地区所有的有线和无线通讯。
当美韩军队接近志愿军防御工事时，他们遇到了手榴弹、爆破筒、聚能装药和从高处滚落的岩石。由于无法继续安全推进，美韩军队不得不依靠近距离支援火炮来压制志愿军的反击，但是志愿军利用掩体和坑道网络以逸待劳，而韩美的地面部队已经精疲力尽。美军1营和3营有96人死亡，在第一次袭击中又有337人受伤，这是美军第31步兵团在战争中一天内伤亡最重的一次。
尽管志愿军顽强抵抗，但是在多国部队毁灭性的火力支援下，在537.7高地的防御连在减少到20名战士后被迫撤退到隧道中，韩军第二营在15:20前占领了山脊。尽管已经暂时占领了537.7高地，但美军对上甘岭的攻击在主山597.9高地前停滞，因为两个美军营都遭受了手榴弹的袭击而严重伤亡。到下午晚些时候，美韩军队的攻击减弱，并开始转入防御阵地，以面对志愿军的反击。
为了收复失地，志愿军第45师师长崔建功试图派出三个步兵连进行突袭。当照明弹打破夜幕时，志愿军发起了冲锋，随后展开了近身的肉搏战。多国部队以重炮反击，但是坚定的志愿军突击部队穿过阵线和多国部队炮兵的掩护进入多国部队阵地，美韩联军惊魂失色，在弹药耗尽后被迫放弃之前所有占领的阵地，战斗陷入焦灼状态。
（崔建功）
志愿军的反攻让美韩联军的前线将领都感受到了压力。美国第七步兵师和韩国第二步兵师的司令官韦恩·C·史密斯少将和郑日权中将，每天都在为身心俱惫的士兵缓解压力，以保持部队士气。10月15日，史密斯命令第32步兵团第1营和第31步兵团第2营，在摩西上校的指挥下恢复对上甘岭的进攻。韩军的参谋总长丁一权也将其第32团第2营替换为第17团第2营，以让其部队可以轮休。美韩恢复进攻后，坑道里的135团奋起反击，阻止了美国人向597.9高地前进。另一方面，韩国在夺回537.7高地后也被击退。
10月16日，美军第32步兵团的约瑟夫·R·鲁斯上校从摩西手中接过作战指挥权。10月16日，美军第17步兵团第2营到达战场后，设法攻占597.9高地。但美军很快就在低处的山谷中遭到了志愿军机枪的猛烈射击，他们被迫于10月18日撤退到山后的山坡上。在那一晚，志愿军继续用小型突击队和手榴弹攻击来袭扰美军阵地。韩军的情况稍好一些，在韩美火力的联合下，第32团再次占领了537.7高地，并以此为据点抵抗志愿军的火力。
对15军军长秦基伟来说，由于缺乏正常运作的通讯网络和准确的情报，他无法对多国的攻击作出反应。因此第45师起初没有得到任何炮火支援而损失惨重，在多国部队的前几日进攻中，志愿军的守军每天都有500人伤亡。10月17日，在得知有10多个志愿军步兵连失去战斗力后，45师师长崔建功让剩下的六个步兵连进行集中反击，在44门大口径火炮和一个BM-13火箭炮团的协助下，第134团精锐的第8连从坑道发起攻击，而其他五个步兵连在10月19日黄昏时横穿开阔地进行攻击。他们的左翼将韩军赶出了537.7高地。
10月20日拂晓，多国火力重新占据上风，志愿军在遭受重大伤亡后被迫返回坑道躲避。10月20日下午，史密斯将美军第17步兵团替换为第32步兵团的同时，秦继伟接到报告说，第45师快被打光了。
在经历了10天的4000多人伤亡后，最后一次进攻的失败结束了第45师的战斗。多国部队已经牢牢控制了该地区的大部分地区，剩下的志愿军被困在坑道中。尽管最初遭遇挫折，志愿军第一副司令邓华，在10月25日晚举行的战略会议上，命令秦基伟不惜代价守住上甘岭。
（秦基伟）
美军的伤亡也相当惨重，范弗里特决定在10月25日让美军第7步兵师进行轮休，从而避免了该部队伤亡的扩大。韩军第2步兵师第31团将负责上甘岭的主攻角色，而韩军第2步兵师第17团继续进攻537.7高地。同一天，新的志愿军增援部队正在金化郡前线会合，第12军的增援部队暂由第15军指挥，第45师也收到了1200名增援士兵重新组建了13个步兵连。秦继伟命令第29师第86、87团与第45师联手进行新的反击。此时大约67门重炮和一个团的高射炮也被用来支持即将到来的反击。
在接下来的五天里，韩军31团与志愿军进行了激烈的战斗。第45师还每晚渗透小型部队进入联合国阵地，为被困部队提供补给并疏散伤员。在10月20日至29日期间没有坑道掩护的志愿军后勤和医疗兵的严重伤亡，影视剧里所表现的后勤兵送苹果的故事是真实存在的。
10月30日中午，第15军用133门大口径火炮、22个火箭炮和30个120毫米重型迫击炮轰炸韩军，这是志愿军在这场战争中规模最大的一次炮击行动。来自第45师和第29师的10个步兵连蜂拥到韩军31团的阵地上，将其赶出537.7高地。在战斗结束后，韩军三个步兵连中，只有175名韩国士兵幸存。随后增援的志愿军12军于11月1日抵达，与其他志愿军部队将剩余的韩军从597.9高地赶走，并击退了其随后的反击。
为了收回阵地，美军命令韩军第9步兵师于第30团于10月31日继续进攻上甘岭。韩军在接下来的五天内连续发动攻击，但都没有成功。虽然韩军未能夺回上甘岭，但由此造成的重大伤亡迫使志愿军军于11月5日召集第31师第93团作为增援部队。而美国第九军团司令鲁本暂停了对上甘岭的进一步攻击，以防止更多的伤亡。
敌退我进，当美军第九军团在上甘岭选择放弃时，志愿军准备发起进攻。在恶劣天气的掩护下，志愿军第92团于11月11日16:00发起进攻。志愿军很快就将韩军赶走，但丁一权在11月12日拂晓时又以韩军第2步兵师第17团增援。经过两个小时的战斗，第17团第1营攻占了537.7高地的三分之二，并对志愿军92团造成重大伤亡。
11月14日，志愿军再次发动进攻。到11月17日，在韩军第一野战炮兵群的掩护下，经过两个小时的战斗，韩军第二营退回到了第一营原来的位置，第12军在11月18日晚上解除了韩军第93团的兵力威胁。在接下来的六天里，双方你来我往，各有胜负，到11月25日，韩军第二步兵师被第九步兵师接替，战斗已经接近临界点，逐渐平息。
鉴于大量多国部队的伤亡和来自克拉克的压力，范弗里特于11月28日中断了上甘岭的军事行动，从而结束了美军在上甘岭的战役。而韩军还不肯罢休，几天后，志愿军第34师和韩军第9步兵师于12月2日至3日在537.7高地进行了拉锯战，12月15日，随着志愿军第29师从34师手中接管战场控制权，第12军从该地区撤出，上甘岭战役全面结束。
上甘岭战役刷新了美军在硫磺岛战役34%的伤亡率，达到了空前的38%。根据我国官方统计，上甘岭战役中志愿军阵亡4838人，伤6691人。而美国海外战争退伍军人协会统计美军共阵亡365人，伤1174人和一人被俘。 韩国国防部官方历史统计韩军共阵亡1096人，伤3496人，失踪96人。 按照《抗美援朝战史》记载，上甘岭战役志愿军使用67门高射炮掩护，2个炮兵师共110门，105毫米口径以上火炮，以及2个营共24辆卡秋莎多管火箭炮参战，43天共发射炮弹40万发。多国部队使用105毫米以上火炮288门，飞机278余架。克拉克和杜鲁门其后也承认此次战役严重挫伤了联合国军的士气。尽管规模宏大、影响深远，但上甘岭战役却是西方媒体中关于朝鲜战争中最避及谈论的战役，可见这场战役对其沉痛的打击，而不敢正面面对。
确切地说，上甘岭战役参战各方的损失都很惨重，主要是因为：
参战各方都有不能输的迫切需求
上甘岭战役前，朝鲜战争已经进入尾声，参战各方的进攻都已经进入强弩之末，处于僵持状态。而上甘岭战役的胜负，直接决定了胜利的一方在停战协议中占据主导地位，获取更多的谈判筹码。谁在上甘岭坚持到最后，谁就可能是最后的胜利者。
而且上甘岭一旦失守，其后面朝鲜北部200多的平原直接向多国部队敞开。而志愿军和朝鲜人民军的摩托化程度比多国部队低了好几个档次，根本无力抵挡多国部队的机械化部队在平原上的推进。志愿军只能投入大量的兵力，利用上甘岭的地形优势，在上甘岭的坑道与多国部队决一胜负，失去上甘岭后，志愿军已经无险可守，这是志愿军能够战胜多国部队唯一的机会。
（上甘岭附近的地势图）
如果上甘岭失守，不仅三八线名存实亡，朝鲜半岛都可能会落入美韩之手。换句话说，韩国要想实现统一，只要啃下上甘岭这块骨头，其背后就是一马平川。面对这一历史机遇，韩军是不会善罢甘休，这也是为何韩军最后在美军停止进攻后，还在做最后的努力，有时历史就是瞬间，机会稍纵即逝，即使韩军部队被打残了还要硬着头皮上。后来韩国正是对于这千载难逢的机会丧失而拒绝在停战协议上签字。
而对于美国而言，上甘岭战役决定着当时下届美国总统人选。碰巧的是，上甘岭战役结束的同时，就是美国总统大选结果公布之时。换句话说，杜鲁门为了让其所在的民主党能够在总统大位上胜选，必须要用上甘岭战役的胜利来为其政党候选人拉票。而当时艾森豪威尔也正是看到了美军陷入朝鲜战争中，在竞选造势时大打反战牌。若上甘岭战役失利，艾森豪威尔就能凭借反战的光环胜选。而随着上甘岭战事的焦灼，作为三军统帅的杜鲁门只能命令美军加大火力投入。而且前线指挥的范弗里特在上甘岭战役前夕，他的儿子在执行美空军任务时阵亡，范弗里特面对“国恨家仇”，势必也会迎合杜鲁门的心思，把志愿军往死里整。后来由于美军在上甘岭使用的炮火之多，而创造了范弗里特弹药量的新名词。
我方阵营的底子比较薄
炮火一响，黄金万两，战争的实质拼的就是参战各方的综合国力。朝鲜战争不仅损失了各方的兵员，还消耗着各方的国家资源。毛主席在战争期间曾经在给斯大林的信中提及过，由于抗美援朝的关系，我国每年的预算会增加60%，而总预算的32%，都会直接用于朝鲜战场。
志愿军总司令彭德怀就曾经说过，如果志愿军一两天没饭吃，再好的作战计划都泡汤，而如果志愿军打胜了，全体指战员的功劳算一半，后勤补给算一半。战争的后勤补给要靠强大的国力支撑，而当时美国的工业总产值占世界工业总产值的一半以上，钢产量达到8772万吨，工农业总产值达到1507亿美元。而美军依靠其强大的工业能力，可以在上甘岭大规模装备M-1951式防弹背心和头盔，美军战后也承认，如果没有穿戴防弹装备，伤亡会更加严重。而我国当时的钢铁产量，根本无法做到志愿军每人都配备防弹衣和头盔。
而对比我国当时工农业总产值仅为574亿元人民币，换算成美元还不够美国的尾数。尽管战争物资优先进行供应，但是我们由于国力的差距还是无法与美国的后勤补给相比。美军依靠强大的后勤补给系统，在伤员救治率上比我们高出很多，志愿军伤亡大就输在了后勤保障上，让很多战士在寒冷的战场上无法获得及时救治而阵亡。而且苏联当时也处于战时恢复状态，为了对抗美国的马歇尔计划，苏联在东欧社会主义国家也进行撒币，尽管苏联也对我国和朝鲜进行支援，但是其对朝鲜战场的支援无法与美国投入的物资力度相比。
朝鲜方面更是艰难。多国部队在战争中已经破坏了朝鲜全部的发电站，这对其国民生产和经济带来了严重的影响。而且在美军的空袭下，仅1952年7月11日一晚，美军出动空军轰炸平壤就死伤平民6000多人。朝鲜基本没有防空防御网，在面对美军的空袭时，其战时的生产基本停止，基本靠苏联和我国的支援才撑过战争的寒冬。
志愿军在武器方面相对落后
美国当时是科技最发达的国家，拥有一大批水准最高的科技人才储备，这也是为何美军认为只要运用最先进的武器，多兵种配合的立体化作战肯定能笑到最后。志愿军在上甘岭所用的火炮基本都是依靠在抗战时期缴获的日式火炮和朝鲜战场缴获的美军火炮，以及苏联援助的火炮。总的来说，志愿军在上甘岭的火炮大约是美军的三分之一，从战后的志愿军伤亡来看，主要是由美军的重炮造成的。战前我国的炮兵非常稀缺，都被当成特种兵看待，很多炮兵都是临时抱佛脚在战斗中学习和成长，后来从苏联援助以及从蒋军投降的炮兵被派上了战场，才弥补了炮兵人数的缺乏。
而当时志愿军在上甘岭战役爆发之初，部署的兵力只有两个连。范弗里特就是看准了这个弱点才在上甘岭发动突然袭击。而在美军的空袭和炮火的攻击下，当时志愿军的通讯曾经出现中断，直到通讯恢复后，火炮和部队的增援才逐渐往上甘岭方向集结。志愿军的重大伤亡都是在初期火炮没形成火力压制下造成的。而且志愿军当时唯一能在火力上与美军对轰的，只有那24门喀秋莎火箭炮，火炮集结后才让美军感觉到了威胁。
而且美军将领在朝鲜战场遭遇挫折后，曾多次威胁要使用原子弹。按照美军在硫磺岛的伤亡率看，这是有可能的。但当时苏联成功研制原子弹后，让美军不敢在上甘岭使用原子弹。如果美军不是担心核战争的爆发，以其在上甘岭的伤亡率很可能就会像在日本使用原子弹了，这是不幸中的万幸。在朝鲜战争后，我们也吸取教训，成功研发原子弹，以形成核威慑力。
综上所述，志愿军战士即使作战英勇，也无法抹平与美军为首的多国部队之间的差距。可以说志愿军是用血肉之躯和顽强意志和美军进行战斗，志愿军能拿下上甘岭，更显得志愿军战士的难能可贵，就是这群最可爱的人，才让我们有了立国之本。
