10月18日，毛泽东在中南海颐年堂主持召开中央政治局常委扩大会，最后拍板实施反击。会上又研究了中印两军的实力对比和是否打得赢的问题，西藏军区司令员张国华向军委保证，一定能打胜。军委决定，从成都军区、兰州军区调两个师入藏参战，并以第21、第54军作为预备队。10月20日天亮后，西藏军区和新疆军区部队在中印边界东西两段，对入侵印军发起了全面反击。反击作战的第一天，西段印军主要据点便被扫除，东段的印军精锐第七旅基本被歼。

第一阶段反击结束后，10月24日中国政府又向印度提议谈判，仍然遭到拒绝。不仅如此，印度还调动援兵到边界。因此，必须实施进一步的打击才能达到施以教训的目的。从11月16日开始，中方进行了第二阶段反击，在瓦弄方向击溃印军一个旅，在西山口-邦迪拉方向歼灭了印军最精锐的第4师的主力。

当时解放军只投入四个师的兵力，可谓小试锋芒，无论大仗、小仗却都取得压倒性胜利。印军损失近万人，其中被俘3900人；中国军队伤亡2400余人，无一人被俘。中国军队的反击作战，范围只限于传统习惯线的中国一侧，并未进入印度境内，印方却出现了一片惊慌。当时国际舆论普遍认为，中国军队会乘胜深入印境。　　

然而，中方考虑到惩罚性打击的目的已达到，于11月21日突然宣布停火，并从12月起至翌年3月，将部队撤回到1959年11月时的实际控制线本侧20公里之后。