这时，在志愿军第20兵团防守的战线正面，西起金化东至北汉江的金城以南地区，由美第9军指挥的南朝鲜军首都师和南朝鲜第2军团指挥的第6、第8、第3师共四个师防守，态势向北突出，并在志愿军夏季进攻战役第一、第二阶段的作战中，分别受到不同程度的打击，其原有的防御体系被破坏，重新调整后的防御结构尚未稳固。志愿军第20兵团已掌握了南朝鲜军的防御特点，取得了进攻其营、团坚固阵地的经验，查明了其纵深阵地的工事情况，而志愿军第20兵团指挥第67、第68、第60、第54军共四个军另第33师，有82毫米迫击炮以上火炮约1000门，其中山炮、野炮、榴弹炮约400门，在兵力、火力上都占有优势，具备了组织更大规模反击作战的有利条件。
6月23日志愿军第20兵团决定，以所指挥的四个军及志司加强的第21军组成中、东、西三个集团，实施金城战役，继续给南朝鲜军首都师和第6、第8、第3师主力以歼灭性打击，力争拉直金城以南战线。并预定7月10日前后发起进攻。6月25日，志愿军首长批准了这一计划，并指示第20兵团放手作战，如反击成功，情况有利时，可继续向敌纵深作有限度的扩展；同时，指示正面其他各军，此时只做进攻准备，基本采取守势，如敌进攻则坚决歼灭之。第20兵团于6月26日至7月6日先后召开了兵团党委会和师以上干部会议，强调认真贯彻“稳扎狠打”的精神，先小打后大打，做到“打必歼、攻必克、守必固”；要在稳的基础上狠狠地打击敌人；要求坚决突破，连续突击，大胆实施穿插分割，迂回包围，各个歼灭敌人；并具体地研究和确定了作战部署。7月10日，第20兵团正式下达了作战命令。
7月13日夜，浓云密布，大雨欲来，志愿军第20兵团三个突击集团和第9兵团第24军，出敌意料，突然在25公里的正面上同时发起了进攻。
志愿军1100多门火炮，对金城以南敌军阵地进行了猛烈轰击，仅二十八分钟的火力急袭，即将1900余吨炮弹倾泻到敌军阵地上。这是志愿军入朝以来，动用炮火数量最多，消耗弹药最多的一次。猛烈的炮火，摧毁了敌军大部分工事，打得敌人抬不起头来。炮火准备结束后，步兵迅速发起攻击。在一个小时内即全部突破了敌四个师的防御前沿阵地。南朝鲜军陷于一片混乱，纷纷要求增援。在报话机中不断发出“阵地失守”、“准备撤退”的哀鸣。
突破敌前沿阵地后，各集团迅速向南发展进攻。以第68军第203、第204师和第54军第130师组成的西集团分别向芳通里、月峰山方向进攻。为保证主攻部队的顺利发展，第一梯队各师组织了渗透迂回支队，向敌纵深穿插前进，打乱敌指挥所、炮兵阵地或断敌退路。第203师渗透迂回支队，在副团长赵仁虎的率领下，沿公路猛插敌纵深。副排长杨育才带领的侦察班，化装成南朝鲜军，奇袭首都师“白虎团”团部，当场击毙敌机甲团团长陆根，首都师副师长、“白虎团”团长落荒而逃，打乱了敌人的指挥系统。在穿插作战中，渗透迂回支队三个多小时穿插前进9公里，途中进行大小战斗十一次，捣毁了南朝鲜军“白虎团”团部，歼灭机甲团大部以及美第555榴弹炮营大部，有力地配合了正面部队的进攻作战。至14日下午，西集团完成了第一步任务。
以第67军、第54军第135师、第68军第202师组成的中央集团，突破前沿阵地后，集中火力、兵力强攻轿岩山。轿岩山由三个比邻的山峰组成，山势陡峻，易守难攻，瞰制金城川以北、北汉江以西的大片地方。如果轿岩山失守，金城川以北整个阵地即全部动摇。因此，南朝鲜军对轿岩山的防御十分重视，以两个团防守，构筑了大量工事，并加强了火力配置。第199师的进攻，遭到敌人的顽强抵抗，发展不顺利。至14日零时才攻占中峰、东峰。投入第二梯队后，于14日10时攻占主峰（西峰），占领轿岩山全部阵地。在攻占主峰的战斗中，李家发以负伤七处的身体堵住敌机枪工事射孔，成为又一名黄继光式的英雄。第200师进攻顺利，在官岱里西南歼敌一个营后，迅速向南猛插，将南朝鲜第6师的阵地东西分割。随后投入第二梯队，渡过金城川，向梨船洞方向突进，沿途追歼逃敌。迅速占领了梨船洞以西及西北地区，并缴获敌满载物资的卡车二十九辆、飞机一架。
由第60军、第21军、第68军205团组成的东集团，以第21军位于北汉江以东担任防御，钳制正面之敌，以第181师由东向西进攻金城川以北之敌。由于准备时间不足，加上正面狭窄，又横越山脊，突破后进展缓慢，当夜未能解决战斗。14日下午，敌军动摇，迅速占领了金城川以北地区，并以一部兵力西渡金城川与中集团会合。
第24军突破敌前沿阵地后，控制了金化之敌向东增援的交通要道，保障了第20兵团的右翼安全。
至14日下午，各进攻部队经一昼夜的连续作战，拉直了金城以南战线，向南最远推进了9．5公里，歼敌14000余人，给南朝鲜首都师、第6师以歼灭性打击，活捉了首都师副师长林益淳。
在志愿军的强大攻势面前，敌军或被歼，或丢弃武器装备狼狈溃逃。沿金城至华川的公路上，汽车压着尸体，坦克堵住汽车，乱成一团。美联社记者当时是这样描述那些溃逃的南朝鲜士兵的：
有的坐着卡车和吉普，有的攀在坦克上，有的骑在大炮的炮身上。但是还有成千的人用那穿着帆布胶底鞋而且起了水泡的一双脚向南步行。这些人一瘸一拐地向前走，到了精疲力竭的时候就在路旁的泥泞地里倒头就睡，顾不得倾盆大雨了。……如果共军有一队战斗轰炸机的话，他们就能把公路上的这个长达数英里的地段变成一条血河。
志愿军顺利地完成了战役第一步任务。此时，大雨未停，道路泥泞，河水暴涨。随着南进，志愿军后勤跟进保障和炮火支援受到一定的限制。美第8集团军司令泰勒迅速调整部署，以加强金化以东地区的防御，准备向志愿军实施反扑。
在这种情况下，为贯彻“稳扎狠打”的指导方针，巩固既占阵地，7月14日，志愿军首长电令第20兵团，以主力控制已占阵地，迅速构筑工事，修通道路，抢运弹药物资，准备打敌反扑；同时以若干个有力支队，乘敌混乱之际，积极向南发展，继续扩大战果，占领有利地形，掩护主力防御准备。
志愿军的凌厉攻势，打得“联合国军”慌了手脚。李承晚埋怨克拉克见死不救，克拉克说李承晚军队无能。7月16日，克拉克和第8集团军司令泰勒，急忙飞抵前线，在南朝鲜第2集团军部召开高级军官会议，声言要发动最大的反攻，夺回金城以南失地。
从当天下午开始，“联合国军”先后纠集美第3师、南朝鲜第5、第7、第9、第11及第3、第6、第8师残部，全力向志愿军反扑。17日，敌集中六个团的兵力，在100余架次飞机和200余门大口径火炮的支援下，向东集团第180师黑云吐岭——白岩山——949．5高地一线突出阵地猛烈进攻。第180师与敌激战数日，毙伤敌3000余人，除一个高地失守外，其余阵地屹立未动。第20兵团首长考虑到金城川以南阵地过于突出，又处于背水作战，炮兵不能支援，运输供应困难等情况，决定东集团放弃黑云吐岭——白云山一线阵地。当晚，第180师除留一个营控制金城川与北汉江会合处的461．9高地外，其主力撤至金城川以北组织防御。此后敌人反扑的重点转向中集团。志愿军顽强抗击，击退敌人数千次的进攻。敌人付出了巨大的代价，仅占去一个阵地。克拉克、李承晚所谓的“最大的反攻”只能以失败告终。
在金城战役期间，正面战线其他的志愿军各军和人民军各军团，也积极配合作战，共对敌连以下目标进攻二十七次，歼敌17000人，有力地配合了金城方向的作战。
7月27日，金城战役结束。志愿军共毙伤俘敌78000余，缴获坦克45辆、汽车279辆、飞机一架、各种炮423门、各种枪7400余支，收复土地178平方公里，拉直了金城以南战线，造成了停战后的有利态势。
1953年夏季进攻战役，作战规模由小到大，紧密配合谈判斗争，不断改变打击对象，狠狠地打击了南朝鲜军，以打促谈，有力地促进了停战的实现，对停战后朝鲜局势的稳定起了重要作用。