经过第一阶段的打击，战场态势有了新的变化。美第8集团军以美骑兵第1师、美第24、美第25师、美第3师、英第28旅、英第29旅、土耳其旅、南朝鲜第1师重兵布防汉城周围和汉江南岸地区。“联合国军”的东部战线显得很突出，而且那里都是南朝鲜军部队。彭德怀一眼看出志愿军歼敌的机会在东线出现了，于是决定转兵东线，以歼灭南朝鲜军为主要目标发起第二阶段作战。5月6日，中朝联合司令部下达战役第二阶段预备作战命令，决定以第9兵团为东线人民军前线指挥部所属部队首先集中力量，歼灭县里地区南朝鲜第3、第5、第9师（后加第7师），尔后视情况歼灭南朝鲜首都师、第11师；以第3兵团割裂南军与美军的联系，阻击美第10军不得东援。

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，负责东线指九*九*藏*书*网挥的志愿军第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。”

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。南藏书网朝鲜第3、第9师被压缩包围在县里地区。

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。

为了迷惑李奇微，达到出其不意之效，志愿军采取声东击西之计，以第19兵团三个军和人民军第1军团，在汉城以北向汉城和汉城东西地区佯动，攻歼敌军营以下规模的部队，摆出要第二次进攻汉城的架式，以牵制当面的美军；以第39军到春川、华川地区进行整补，在加平至龙沼项间的昭阳江西岸做渡河准备，掩护第3、第9兵团主力秘密东移。

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。

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；美第藏书网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。

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：

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。

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。

至17日晚，志愿军和人民九九藏书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。

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。”

李奇微判断志愿军和人民军将以五个军在中西部发起新的进攻，目标直指汉江下游地区；同时以志愿军三个军和人民军一个军团在汉城方向实施助攻。对东部战线，李奇微的研判是志愿军和人民军可能集中五个军在春川——洪川一线实施小规模的进攻。

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。

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99lib•nｅt1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。

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。

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。