攻击，其他具体情况一无所知，秦基伟只好命令五圣山侧翼的观察所每半小时报告一次情况，同时请求左右邻的三十八军和十二军通报各自正面的情况。秦基伟认为当面美韩军只有美第七师和韩第二师，共两个师的兵力，单以这两个师的兵力是不可能同时攻击几个方向的，其中必然只有一个是主攻方向，其他则是牵制性的佯攻，但要立即判断出哪个是主攻，现在根本无法做到，只有走一步看一步了。
就在各级指挥员心急如焚的时候，上甘岭的战斗全面展开了！五时，美军经过一小时炮火准备后，开始火力延伸以压制纵深目标。同时，步兵开始冲锋，最先与美军接火的是九连597。9高地11号前哨阵地上的一个班，但班长使用兵力不当，一下就把全班投入了战斗，在美军猛烈炮火下，很快蒙受了巨大伤亡，等打退美军四次冲锋后，就只剩下一个战士了，他只好退入坑道坚持战斗。防守2号阵地的八连一排见11号阵地失守，排长立即组织两个班前去反击，力求乘敌立足未稳夺回阵地，但这两个班在半路上就遭到了美军炮火覆盖射击，只剩五个伤员被迫退回2号阵地，这样一来，一排反击未成，反而损失兵力大半，连防守2号阵地都很困难了，十一时许，2号阵地就因守备兵力伤亡殆尽而告失守。东南的7号阵地因此陷入孤立，随即也被美军占领。只有最关键的9号阵地，由九连副指导员秦庚武指挥三排防守，秦庚武见美军炮火异常猛烈，如果在阵地上一下投入兵力越多，那么伤亡也就越多越快，所以他只在表面阵地上同时投入三个人，伤亡一个就从坑道里补充一个，打得从容不迫，9号阵地因此成为597。9高地的中流砥柱，始终顶住了美军的进攻。9号阵地是主峰的门户，位置极其重要，只要9号阵地不失，那么597。9高地就可保无忧。经一上午的激战，美军攻击部队七师三十一团的二营、三营损失均超过了70％，美军比较忌讳部队成建制消耗，就未敢再使用一营，将三十一团撤下去休整，换上第三十二团接着再战，一直打到黄昏，也未能攻下597。9高地。
537。7高地上，也同时遭到了攻击，韩军第二师三十二团以一个营分三路发动猛攻，守备部队一连依托被炮火严重摧毁的阵地英勇坚守，战斗之顽强被韩军战史称为史无前例，韩军地面部队攻击连连被击退，只得召唤美军的航空兵火力支援，美军出动了二十余架B—26轰炸机投掷凝固汽油弹，阵地成为一片火海，韩军乘势猛攻，最前沿的8号阵地只剩下三个伤员，无力再战，正准备退入坑道，却被已经冲上阵地的韩军架设的一挺机枪压制在离坑道口十余米处，这挺机枪附近正巧是因多处负伤而昏迷的孙子明，他被枪声惊醒，看到这情景，大吼一声扑了过去，韩军的机枪手猝不及防被吓得魂飞天外，掉头就逃，孙子明刚想把机枪掉过头去射击，另外一股十多个敌人已经涌了上来，他见来不及开火，一把抓起身边的三颗手榴弹，朝着这股敌人扑去，与敌同归于尽，他也就成为在上甘岭战役中与敌人同归于尽的三十八个勇士中的第一人！直到十二时许，经过了七个多小时的激战，韩军攻上了主阵地，再经过二十多分钟惨烈无比的白刃肉搏，才占领了阵地。至下午二时，一连仅存二十余人，退守坑道，537。7高地除9号阵地外的其余表面阵地都告失守。
九连和一连在激烈的战斗中，将战前储备的弹药消耗殆尽，共发射了近四十万发子弹，投掷手榴弹、手雷近万枚，由于长时间高强度持续射击，武器损耗也非常惊人，共打坏10挺苏式转盘机枪、62支冲锋枪、90支步枪，占全部武器的80％以上！——战况之激烈，可见一二。
黄昏时四十五师师长崔建功得知在白天战斗中失去了一半的表面阵地，立即命令一三五团团长张信元连夜组织反击，夺回阵地。并让二线的一三四团团长刘占华即刻赶到师部，熟悉情况，准备参战。
美韩军占领阵地后，因为战斗激烈异常，官兵都疲惫不堪，也没时间构筑工事，只是用麻包简单地筑起了一些临时野战火力点。志愿军的反击部队共四个连，太阳落山后就准备完毕，进入攻击出发位置，十九时在没有任何炮火掩护下发起进攻，原计划采取偷袭，但被美军发觉，随即改为强攻，美韩军立足未稳，顶不住志愿军生力军的冲击，经二个多小时的鏖战，反击部队就将白天失去的阵地全数收复。在这场夜间反击中，又有两个都是排长的孙占元和粟振林，身负重伤后，拉响手榴弹与敌同归于尽，为了永志纪念，粟振林烈士的家乡河南林县将县城南关街命名为振林街。
当晚十时，四十五师召开了紧急作战会议，讨论调整部署事宜。会上决定：报请军部批准，暂停对注字洞南山的反击，将为反击而储备的所有弹药、补给、器材，于15日二十一时前全部转用于上甘岭方向；为避免上甘岭两高地因部队建制过多而引起指挥上的混乱，由一三五团团长张信元指挥597。9高地作战，由一三三团团长孙家贵指挥537。7高地作战；炮兵由副师长唐万成和十五军炮兵副主任靳钟统一指挥；一三四团为二梯队，尽快完成一切战斗准备，随时准备加入战斗；为便于指挥，团师各级指挥部重新展开，一三三团团部前移至上所里北山，一三四团和一三五团组成五圣山联合指挥所，师部前移到德山岘。
在第一天的战斗中，美韩军共投入了七个步兵营和十八个炮兵营，飞机五十余架，两百余架次，消耗炮弹三十余万发，航空炸弹五百余颗，两个面积仅3。7平方公里的高地，在如此罕见的猛烈炮火轰击下，原本长满枝繁叶茂的树木，被炸成寸草不剩的光山，而且山头的岩石被整整削去了两米！坚实的土层全都成为粉尘状的虚土！根本来不及散去的硝烟完全遮蔽了太阳，使得很多幸存者都认为那个晴朗的日子是个阴天！而十五军四十五师在这两个高地的守备兵力仅两个连又一个排，加上全力准备反击注字洞南山，支援上甘岭方向的火炮只有3门105毫米榴弹炮、6门75毫米山炮、6门90毫米加农炮和12门迫击炮，根本无法与美军300余门大口径重炮抗衡，几乎是纯步兵作战，而且由于美军的炮火封锁，守备部队与后方联系中断，又得不到任何增援，就是在这样的兵力火力对比极端悬殊、后勤补给极端困难情况下，以伤亡550人的代价，打退了美韩军数十次的进攻，并通过夜间反击夺回了白天丢失的阵地，使美韩军付出了高达1900余人的死伤一无所得！
15日，美韩军再度猛攻，又是一整天的残酷恶战，日落时分，美第七师终于拿下了597。9高地西北山梁上的6号、5号、4号、0号阵地和主峰，韩第二师也占领了537。7高地大部分阵地。——直到此时，上甘岭的战斗已持续了两天，志愿军还没有判明美军的作战企图。志愿军总部虽在当天下午致电十五军，但那是对十五军13日上报的反击注字洞南山计划的答复，指示根据其他部队的经验，反击敌营以上部队据守的阵地，代价太大，而且因敌兵力较多抵抗也激烈，战斗不易迅速解决，故对注字洞南山的反击暂不进行为宜。电文中只字未提上甘岭战斗，因此完全可以说，经过两天的激战，志愿军总部首长还没有意识到在上甘岭是美军的主攻方向！这也从另一个角度说明美军此次“金化攻势”准备之充分，战略之狡诈。
秦基伟两天来面对突如其来的激烈战斗，与前线的联络几乎全部中断，具体情况几乎是一无所知，即使报上来的战报，也多有不确之处。就在这种情况下，秦基伟一直在苦苦考虑范佛里特的作战企图到底是什么？凭当面美军现有兵力不可能同时进攻五圣山和西方山两个方向，到底哪个方向是主攻呢？当15日除上甘岭仍在继续激战外，其余地区美军的进攻被击退后都逐渐平息了。久经战阵的秦基伟就从这个迹象中察觉到了蛛丝马迹，——平康谷地地势平坦，便于美军发挥其机械化优势大举突击，但攻击部队侧翼暴露在十五军和十二军的火力威胁下。而在五圣山地区，由于597。9和537。7高地是整个战线的突出部，没有侧翼遭受攻击的后顾之忧，距美军占领的鸡雄山又很近，能够得到直接支援，其后方的金化地区交通发达，物资和人员的机动都极为便利。一旦攻下五圣山，则西方山也就失去了屏障，自然唾手可得，而且五圣山地势险要，志愿军根本不会想到美军会从这发里起进攻，可以收到出其不意之效。西方山一带部署着志愿军的精锐之师，五圣山一线则是相对弱的部队，又可以避实击虚。
尽管秦基伟已经敏锐地判断出了美军的主攻方向，但他始终对平康谷地放心不下，几十年后在回忆录中谈到，他一直认为范佛里特极有可能还有一手，那就是当十五军调动在西方山的部队后，范佛里特就会利用美军机动能力强的特点，迅速撤出在五圣山的战斗，再迅速投入西方山，这样的话，胜负就难以预料了。所以，在以后的战斗中，不管局势如何困难，他始终不肯动用在西方山四十四师的一兵一卒。
16日，美韩军继续猛攻不止，四十五师先后已有15个连投入战斗，秦基伟当即决定，四十五师改为主攻，四十四师则改为助攻；军、师组织火炮向上甘岭机动，并组成炮兵指挥所统一指挥；建立后方供应机构，加强后勤保障，除原先储备的弹药外，另为一线部队每连增加配备8000枚手榴弹，三个月的补给品储备量，并积极组织向坑道补充弹药、食物和饮水。
四十五师，这支长期充当配角跑龙套的部队终于得到了补偿，在这样一场举世罕见的大战中当一回主角。无论在范佛里特还是秦基伟眼里，四十五师都比四十四师要弱，但这是从两个师攻击力上的对比，四十五师由于长期作为偏师，经常为保障主力攻击而担负阻击防御任务，有着丰富的防御战经验，形成了顽强坚韧寸土必争的战斗作风，在这一点上，范佛里特无疑是选错了对手。现任师长崔建功，1915年出生在河北魏县的一个家道中落的进士家庭，1934年为家事愤而出走，在汉口投军参加了东北军的第一零九师，1935年在直罗镇战役中被红军俘虏，随即参加了红军，任红十五军团七十三师政治部敌工干事，抗日战争中历任八路军一一五师敌工股股长、营教导员、团政治部副主任、主任、政委。直到1945年10月，解放战争刚开始的邯郸战役中，因太行军区七分区司令张廷发在战斗中负伤，临时指定他来指挥，这一仗他尽展其指挥才干，率部坚守阵地两天两夜，将敌援军击退。——当晚就被刘伯承任命为七分区代理司令，从此就由政工改行，成为指挥作战的军事主官，后历任副旅长、旅长、师长。朝鲜战争结束，回国后历任副军长、昆明军区参谋长。1955年被授予少将军衔。
同一天，美军还在朝鲜东海岸的通川库组织了大规模两栖登陆演习，造成侧翼登陆突击的姿态，以吸引志愿军的注意力，分散牵制志愿军的力量。
17日，战斗进入第四天，越来越惨烈，阵地得而复失，失而复得，一天之中几度易手，每次易手就伴随着天翻地覆的炮击和天昏地暗的拼杀，阵地上尸横遍野，鲜血染红了高地。由于战场地域狭窄，最多只能展开两个营的部队，双方只能采取逐次增兵的战术，一个营一个连，甚至一个排一个班的投入作战。这天，韩军第二师最大的收获是知道了志愿军在阵地上挖有坑道。这是四十五师的一个火线运输员送弹药时，因为连日炮火轰击，地形地貌完全改变，他找不到坑道口在阵地上寻找被韩军俘虏，他在审讯中随口说我们挖有坑道，你们打炮就躲进去，打完炮再出来。也许他觉得这不算什么秘密，但却解决了美韩军几天来一直困惑不解的难题：在如此猛烈的炮火下，怎么还会有人生存下来？对此美韩军极为重视，特意派韩二师的中校情报参谋带了精干侦察人员前往核实，这才搞清楚，志愿军果然利用坑道对付炮火轰击。
18日，美第七师和韩第二师出动番号同为第十七团的部队，依托已占阵地，进行强力扩张。美第十七团参加过二战，曾在太平洋上与日军激战，建立过累累功勋；韩第十七团则是韩军最精锐的部队，长期作为韩军唯一的机动打击部队，配属美军参加过多次重要战斗，颇得美军的赞赏。在这两支劲旅的全力攻击下，四十五师守备部队虽拼死抵抗，终因伤亡惨重，后援不济，被迫退入坑道坚持作战。上甘岭表面阵地开战以来，第一次全部失守！
五个昼夜的血战，四十五师投入的兵力已多达近二十个连，这些部队经过激战，最多的不过三十人，最少的还不足十人。崔建功和刚从第三兵团政治部学习赶回来的政委聂济峰商议了战况，决定在19日晚倾注全力，将一直没舍得使用的七个连尽数投入，争取一举夺回阵地。为了避免白天运动时遭到敌炮火杀伤，参加反击的七个连除作为预备队的一个连外，其余六个连于18日晚连夜就向上甘岭运动，崔建功特意叮嘱一三四团团长刘占华，参加反击的一三四团八连只负责反击不担负守备，因为八连是四十五师的王牌，不到关键时刻崔建功是不会动用的，他可不想让八连在防御中消耗殆尽。——该连前身是刘伯承的八路军一二九师警卫营三连，以战无不胜著称，抗战初期就凭借战斗中的缴获，全连清一色的三八大盖，九挺歪把子机枪，这种装备在太行山的所有八路军部队中首屈一指。解放战争中最能显现八连风采的是在淮海战役中，攻击黄维兵团时，该连作为团的尖刀连，仅二十分钟就突破了由国民党军陈诚系统起家部队五大主力第十八军中的头号王牌第十一师据守的小白庄，并马不停蹄一举攻占四个村庄，战斗中全连伤亡得只剩下九人，但仍依靠俘虏补充到140人，战斗力依然不减！四天后又担任纵队的尖刀连，攻击杨围子，纵队下达的任务是摧毁12个地堡，撕开80米宽的突