经一阶段的打击，战场态势有了新的变化。8集团军骑兵1师、24、25师、3师、英28旅、英29旅、土耳其旅、南朝鲜1师重兵布防汉城周围汉江南岸区。“联合国军”的东部战线显很突，且那是南朝鲜军部队。彭德怀一眼志愿军歼敌的机在东线现了，是决定转兵东线，歼灭南朝鲜军主目标二阶段战。5月6日，中朝联合司令部达战役二阶段预备战命令，决定9兵团东线人民军前线指挥部所属部队首先集中力量，歼灭县区南朝鲜3、5、9师（加7师），尔视情况歼灭南朝鲜首师、11师；3兵团割裂南军与军的联系，阻击10军不东援。
了迷惑李奇微，达其不意效，志愿军采取声东击西计，19兵团三军人民军1军团，在汉城北向汉城汉城东西区佯动，攻歼敌军营规模的部队，摆二次进攻汉城的架式，牵制面的军；39军春川、华川区进行整补，在加平至龙沼项间的昭阳江西岸做渡河准备，掩护3、9兵团主力秘密东移。
李奇微判断志愿军人民军将五军在中西部新的进攻，目标直指汉江游区；同志愿军三军人民军一军团在汉城方向实施助攻。东部战线，李奇微的研判是志愿军人民军集中五军在春川——洪川一线实施规模的进攻。
根据李奇微的命令，8集团军部署进行了调整，集中军六师、英军一旅、土耳其军一旅、南朝鲜军三师，汉城重点，一线密集配置；东线从勿老至东海岸部署南朝鲜军六师，一线配置；3师、空降187团、英29旅，分别置西线京安、永登浦、金浦区，8集团军的预备队。
志愿军19兵团人民军1军团在西线积极佯动，功将“联合国军”主战集团抑留在了西线。3兵团、9兵团军稍整补，5月9日在39军的掩护移兵东线。
1951年5月16日18，东线志愿军人民军各突集团全线进攻，始五次战役二阶段的战。
志愿军9兵团（欠26军，附12军），配属炮兵四团，在宋轮指挥，在金雄指挥的朝鲜人民军2、3、5军团的协同，采取路突破，迂回包围的战法，向县区的南朝鲜军3、5、7、9师攻击。
志愿军20军在军长兼政治委员张翼翔指挥突破南朝鲜军7师防御，该军60师奋力穿插，其前卫178团5连在连长毛张苗的带领，十二内经战斗十三次，前进30公，及抢占合围点五马峙。毛张苗荣立一等功，获一级战斗英雄称号。60师17日晨顺利攻占坪、山区，切断了县区南朝鲜3、9师南逃路。人民军5军团17日午前切断了县敌东南逃路，与志愿军20军敌构合围。南朝鲜3、9师被压缩包围在县区。
27军在军长彭德清、政治委员曾清指挥向南朝鲜军5、7师的接合部攻击。担任迂回任务的81师猛烈向敌纵深穿插。该师师长孙端夫亲率领242团2营先导，勇猛打破南朝鲜军的次阻拦，一夜前进28公，占领严达洞公路两侧高砧桥、坊内各点，切断县敌西南逃窜路。孙端夫荣立二等功，242团2营获“穿插模范营”称号。81师60师在在山、南区将南朝鲜5、7师击溃，全歼五营3000余人。12军突破歼灭南朝鲜5师一部，在隐北侧与2师法国营展激战，担负迂回任务的31师一团插入敌纵深。
至17日晚，志愿军人民军通穿插分割已切断了县区敌的退路，构了敌的内层包围。在志愿军人民军强攻势面前，南朝鲜军全线溃退，四散奔逃。
争取更胜利，彭德怀致电宋轮、金雄：必须贯彻胆迂回与分割包围，达全歼敌人的战思，不放松白战的任何机，争取全胜。根据一指示，27军81师迅速抢占苍村、三巨，12军31师继续迅速向束沙、珍富攻击前进，人民军2军团主力继续向珍富东前进。
18日晨，南朝鲜3、9师始向南东南两方向突围。20军人民军5军团从东西两面击。战至19日，将南朝鲜两师部歼灭，缴获其全部重装备。
南朝鲜军的惨败，使“联合国军”总司令李奇微光火，他撤销了南朝鲜3军团的建制，解除了南朝鲜3师师长的职务。李奇微南朝鲜损失量武器装备感恼火，他感叹说：“所丢弃的些武器不等闲视，些武器装备足装备几整师。”
3兵团15军在军长秦基伟、政治委员谷景生指挥攻击，45师攻占沙五郎峙，歼灭2师200余人；44师插向敌纵深，将在水洞露营的2师38团团部1、2营部歼灭。由2师陆战1师在寒溪——十一线继续顽抗，15军前进受阻，未进一步实现战役割裂任务。在情况，3兵团命令60军179师机动春川东，增强15军方向的突击力量。但由敌主力已经靠拢，一企图有实现。60军的180师积极进攻，19日夜占领法所，牵制面敌军7师，使其不东援。
在东线歼敌的同，西线19兵团面敌进攻，歼敌一部，配合了东线的战：
东线南朝鲜军在志愿军人民军各突击集团的打击，撤退九浦——丰岩——富珍——铁甲岭——仁邱一线布防，“联合国军”的防线现缺口。8集团司令范佛特急令10军主力逐次东移，阻止志愿军人民军向西展进攻；令集团军预备队3师迅速东援，堵塞战役缺口；令南朝鲜军战略预备队8师立即从田北平昌、堤川，建立纵深防线。同，令1军三师又三旅在西线加强志愿军19兵团的进攻，减轻东线的压力。至5月20日，“联合国军”又重新形了东西相衔接完整防线。
，志愿军已在一月内连续进行了两次战，部队相疲劳，粮弹将尽，且雨季又快，江湖沼泽在我方，一旦山洪暴、通中断，部队补给将更加困难；此役未消灭军师、团建制单位，敌有北犯，在情况，若继续进攻，不仅不易消灭敌人，且反增加己的困难，不撤休整，寻机歼敌，更主动。5月20日，负责东线指挥的志愿军9兵团司令员宋轮、副司令员陶勇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，提了收兵的建议。彭德怀同意前线指挥员的分析建议，并将情况报告毛泽东。毛泽东5月21日复电彭德怀：“根据目前的情况，收兵休整，准备再战，处置是正确的。”
21日，五次战役二阶段战结束，志愿军人民军歼灭南朝鲜3、9师部，重创南朝鲜军5、7师，并歼灭2师、陆战1师各一部，共计歼灭南朝鲜军“联合国军”23000余人。