在中国遭到三年自然灾害、国际上掀起反华浪潮时，尼赫鲁政府认为通过军事行动改变边界的时机成熟。从1962年起，加紧军事部署，使侵略行动升级。在中印边界东、西两段增设哨所，向前推进，多次打死打伤中国边防人员，造成严重流血事件；在国内煽动反华，宣称武装入侵是“保卫印度领土”。在外交上，从对谈判设置先决条件到公开拒绝谈判。经过印度统治集团密商之后，9月下旬，确定实施里窝那作战行动，指派参谋局长考尔任军长，决定发动对中国的全面进攻。1962年10月5日，成立对付中国的新军团。6日，关闭谈判大门。12日，尼赫鲁发出战争信号，下令把中国军队从中印边界地区清除掉。20日，在完成作战部署后，印度军队分多路对中国边防阵地发动大规模的全面进攻，中国边防部队不得不实行坚决的自卫反击。中印边界战争终于爆发了。
战争分两个阶段：（1）10月20日—11月15日，在东段克节郎地区歼灭印军第七旅等，西段拔除37个据点。但印军虽遭失败，却又调集重兵向中国进攻；（2）11月16日—11月22日，中国军队在西山口、邦迪拉、瓦弄地区先后击溃各路印军，拔除据点16处，一直追击到传统习惯线附近。
印度军队由于中国方面几年来的不断退让，以为中国军队怯战，印军上下对战争的心理准备不足。印军中没有适合高原作战的山地师，士兵没有御寒设备，人力、火力不足，以轻武器为主，印军指挥系统中和各部联络不够，后勤供应差。中国军队在忍让的同时，悄悄地备战，修筑了由内陆到边界的公路，积极增兵，加强训练，在战术上麻痹印度。
在开战时间上，此时已是大雪封山，印军估计中国军队反击会等到1963年春天雪融化时。中国军队分兵两路：南路向达旺地区，猛攻克朗节河北后印军阵地即被突破，然后兵分两路，一路过一号桥，二路过三、五号桥（都在麦克马洪线上）置印军主力集结地辛勒（五号桥西1．5公里）于不顾，明显地要分割印军主力。
过一号桥中国部队占领麦克马洪线上哈东山口，过三、五号桥中国部队收复了东哨所及章多，后路全断，两三天时间击溃印军第七旅，25日收复达旺。11月19日，包围色拉，全歼第七旅，击溃62旅。
南路第二路，10月20日向达旺以东40公里的图龙山口攻击，得手后长驱80公里，攻占色拉、邦迪拉、鲁巴，击溃印军48旅。北路：乌鲁军区在10月25日穿过昆仑山口向南进攻，这一地区印军实力弱，扫荡400公里。到11月20日基本停止。中国军队依靠周密准备，集中兵力、火力一战突破，然后向纵深发展。
在战场上胜利后，中国依然坚持谈判解决边界问题的立场，10月24日，中国为停止边界冲突，重开和平谈判，解决中印边界问题提出声明：（1）从实际控制线后撤20公里；（2）双方谈判；（3）总理会谈。对实际控制线，中国方解释说：不是指10月20日后中国军事向前推进后的实际控制线，而是1959年11月7日中国声明时的实际控制线。表明中国决不承认以后印度侵占中国领土的事实；另一方面也不会因为在自卫反击战中所取得的进展，而把任何片面要求强加于印度。
但印度在当天就拒绝了中国的建议，并提出恢复1962年9月8日以前的实际状态，决心诉诸武力，宣称和中国进入交战状态。对此，周总理11月15日给亚非各国领导人写信，说明事实真相，阐明中国的正当立场，合理要求。
中国军队自卫反击战的形势是：东段、西段收复了印度军队越过1959年11月7日实际控制线建立的据点。东段越过所谓的麦克马洪线。过去中国方面一方面不承认，另一方面为和平解决，并未越过。但印度得寸进尺，最后破坏这条线的约束，发动大规模的侵略后，中国国防部队10月22日声明：为防止印度再发动进攻，中国军队没有必要受这条非法的麦克马洪线的约束。
尽管中国军队行动并未越出中国领土一步，而且，中国军队兵力和印军相比不占优势。（据报道：在东段主战场，有3个师兵力，而印度在此有25个营，也是3个师兵力。据1965年印度国防部对这场战争的统计数字：印军死亡1383名；失踪1696名；被俘3968名，被俘最高军官是准将。）但印度入侵军在麦克马洪线以南的溃逃，在印度及世界上引起震动。尽管武装冲突是印度军事进攻引起的，并且还在印度国内迫害华侨，限制中国使领馆人员活动等，但中国政府在11月21日声明：（1）1962年11月22日零时起中国边防部队在全线停火；（2）从12月1日起中国部队将从1959年11月7日线后撤20公里：（3）在控制线中国一侧设立若干检查站。但是如果印度再次破坏实际控制线，中国保留进行自卫回击的权利。当时，在印度和国际上，对中国是否会撤回到麦克马洪线以北有怀疑。中国声明打消了这种疑虑。中国军队把印军装备收集起来，揩净擦亮，并开列清单交还给印度。在交还的武器中，还有没有开箱的美式装备、自动步枪以及一架还能使用的俄式直升机。23日，陈毅副总理讲话：中国期望印度政府以中印人民根本利益为重，对中国的三条建议作出积极的响应。中国的后撤到1963年2月28日完成全部计划。尽管印度并未同意和中国进行谈判，但在军事上实际已经停火，中印边界局势缓和下来。
三、中印边界冲突的评价和影响
中印边界冲突发生后，亚非许多国家领导人很关心。1962年12月9日亚非六国（印度尼西亚、缅甸、柬埔寨、锡兰、加纳、阿拉伯联合共和国）在科伦坡开会，并就中印边界问题提出建议。中国方面对会议召开表示祝贺，肯定会议希望中印两国和平的积极做法，但对会议建议保有解释权。并对建议中矛盾、含糊的地方做了两点解释：（1）会议的建议关于印度军队保持现有军事驻地的规定，也应该适用于中印边界全线，而不仅仅适用于西段；（2）在东、西、中三段边界中国方领土成为有争议对象的地方，中国方都不设立民政检查站。但是所有这些地方决不允许印度军队和民政人员进入，这是一个原则。
科伦坡会议的建议是没有约束力的，但从中国政府的态度看却很清楚地表现出愿意实事求是、公平合理地通过谈判解决两国冲突、边界问题的诚意。
中、印边界战争一打，印度非暴力、不结盟的伪装就被剥落了。这次冲突也暴露了印度大国沙文主义、极端民族利己主义的面目。同时也拆穿了印度貌似强大、气势汹汹，实际上是外强中干的假象。当然，这一仗也使印度领导人清醒了许多，对本国的力量有了认识，对中国的力量和坚定的维护国家主权的意志也有了清醒的认识。虽然印度并未放弃对中国的领土要求，也时有一些小动作发生，但基本上没有再采取进一步恶化局势的态度。此役使印度的国际威望大降。
中国政府对这场战争的处理是合情合理、高瞻远瞩的。在战场上中国军队大获全胜，在外交上中国掌握了主动。但是从全局出发，从中国长期国家安全出发，中国在处理上很照顾印度的面子。并未移得胜之师，趁得胜之势来造成既成事实，而仍然要求在公正的立场上和平谈判解决边界问题。中国方优待俘虏，全部交还俘虏，把缴获的武器装备也全部交还对方，同时在世界上中国仍维持以前状态，问题留待谈判解决。边界冲突后中国西部边界保持了和平，使中国西南边疆长期无战事，从中国国家安全、国防建设来讲是极为有利的。
影响是复杂的：印度无法再保持中立立场，开始向美、英求援，印度失败后更是丢掉不结盟的幌子，向苏联、美国寻求援助。苏联为实现全球战略，抓住机会，深深打入印度，并波及南亚，使南亚成为世界动荡地区之一。而中印关系此后长期处于冷冻状态，20多年时间里几乎没有什么来往，70年代末才恢复了中印接触。