10月25日，停战谈判在新会址板门店复会，继续以小组委员会方式讨论军事分界线问题。此时，双方谈判代表团成员都有变化，志愿军方面，调第23兵团副司令员边章五接替邓华为谈判代表，同时调志愿军政治部副主任杜平为志愿军党委副书记。
美方从“联合国军”连续两个月的夏、秋季局部攻势中看到，依靠海空军优势并不能达到他们所要求的军事分界线。因此，在谈判恢复后，美方代表不再奢谈其海空军优势“补偿论”，放弃了要求志愿军和人民军退出1.2万平方公里的荒谬主张。在谈判恢复的当天，美方代表宣布了他们关于军事分界线的新方案，新方案的军事分界线基本与当时的战线重合，在东部和中部有些地方划在实际战线的偏南处，而在西部则将志愿军和人民军控制的开城划在军事分界线以南，非军事区的宽度为4公里。按照这个新方案，志愿军和人民军还要退出1500平方公里左右的地区。
在谈判复会前的10月22～24日，李克农与毛泽东经过电报往来，反复协商，并征得金日成同意，确定在谈判恢复后的第一次会议上，朝中方面应建议，双方都放弃原来各自所提的方案，而各自提出新的方案进行讨论，如美方不同意，则我方也不提出新方案，如美方同意，我方可提出经过研究修改的新方案，即根据毛泽东于8月17日致金日成的电报中所提原则拟订的方案（第2方案），不再提以三八线为军事分界线，在临津江以东美方放弃1944平方公里，在临津江以西我方放弃1800平方公里，放弃的地区作为非军事区，其行政仍由双方各自管理。这一方案实际上是以双方接触线为基础加以调整的方案。同时也考虑了再经过一段争论，在对方向我方方案靠近的情况下，我方再提出第3方案，即就地停战稍加调整的方案。在10月26日的谈判会上，我方代表提出了第2方案。
在谈判中，一方面，双方的接触线尚未经核实，另一方面，美方坚持其所提的方案，强调在东部和中部退出一部分地区，换取西部的开城地区。双方又进行了激烈的争论。朝中代表团分析认为，一旦双方的接触线核实明确后，美方方案就已站不住脚，如果美方仍不同意我方方案，我方似可直接提出就地停战，双方军队各后撤2公里作为非军事区，这样可以避免对方以在东、中部退出一些地区换取开城的无理要求，对方再无理由反对我方方案。10月30日，李克农将这一考虑报告毛泽东、金日成和彭德怀。毛泽东表示同意这一考虑，并通报给了斯大林。
在战场上，早在“联合国军”的秋季攻势已成强弩之末，双方酝酿恢复谈判时，志愿军就估计到谈判恢复后，仍不会是很顺利的，为配合谈判作了部署。10月16日，彭德怀、陈赓、朴一禹、甘泗淇致电第19兵团司令员杨得志、政治委员李志民、副司令员兼参谋长郑维山，指出：虽乘敌疲劳之际，我举行战役反击为有利，但由于朝鲜洪水和美军飞机狂轰交通线，我军运输困难暂时难以克服，因此，第六次战役反击拟推迟到11月中旬。在目前，“为增加对敌方压力，促使谈判进展”，第19兵团指挥的各军应尽可能举行一些局部反击，集中一部分炮兵和适量坦克，在充分准备的基础上，每军每次以歼灭美军1个营为目标，如能在10月和11月中旬以前，举行两三次这样胜利的战斗，对谈判的促进会发生影响。24日至29日，志愿军总部多次致电第一线各部，指出：“敌秋季攻势伤亡甚大，已呈疲惫现象，我为不给敌以喘息机会，选择敌之弱点，集中绝对优势火力和适当兵力，每次消灭敌一两个连至一个营为目的，得手后看情况再歼击另一点。大战役反击在无空军配合情况下暂不进行，为促进停战谈判，收复一些放弃的阵地，以正国际舆论，打击敌人气焰，请在最近连续打几次上述小反击战。”25日谈判复会，美方所提军事分界线“与目前敌我接触线相较，我还须撤出一千五百平方公里左右的地区，而敌方除所撤退的微小地区外，却还前进了六百多平方公里的地区，特别是把开城划在敌占区内无理要求。我第一线部队，应坚持现有阵地，并尽可能地举行局部反击，收回一些放弃的阵地，表示我力量，促进停战谈判，甚为重要。”“十一月甚至今年底（除特别有利情况在外），拟不准备进行全线大反击战役，根据九、十月经验，采取积极防御方针，敌人消耗很大，敌对我亦甚恐惧，敌不前进，我采局部不断的小反击，每次以消灭敌一个营为标准。目前为促进停战谈判，乘敌伤亡甚大之后应有计划有准备在下月五号后举行数次上述小的进攻战是很需要的，如准备充分，能提早则更好。”李克农和解方也希望这种局部反击“在充分准备的条件下尽可能早点发动，以期有助于目前的军事分界线之谈判”。
据此，自10月31日至11月底，志愿军第一线第64、第47、第42、第26、第67（11月7日为第12军接替）、第68军先后7个军，共选择“联合国军”营以下兵力防守的突出的、暴露的或较薄弱的26个阵地，攻击34次，攻克阵地21处，歼敌1万余人，巩固占领其中9个阵地。与此同时，担负保卫开城任务的第65军进行两次扫荡作战，扩展280余平方公里的地区。在西海岸的志愿军50军在志愿军空军直接支援下，攻取了鸭绿江口至清川江口外被南朝鲜武装占领的10余个岛屿，人民军2个旅在大同江口外和瓮津半岛外也收复数个岛屿。志愿军和人民军的这些作战，有力地打击了敌人和促进了停战谈判。
在朝中方面军事打击和谈判代表的有力舌战的斗争下，美方代表虽仍摆出一副流氓的态度，并且扬言开城的所有权由武力来决定，但也不得不开始步步退让。为使其陷于被动，毛泽东于11月6日电示李克农，我方可于11月7日的谈判中，主动提出就地停战各后撤2公里作为非军事区的方案。同时指示彭德怀，对敌可能进攻开城，我必须有所准备，在其进攻时，坚决歼灭之。
朝中代表提出上述方案后，美方代表再无反对的理由，但只同意就此签署原则协议，而不愿确定具体的军事分界线，企图在所有谈判议程都达成协议后再确定具体的分界线，以为他们依靠优势的武器装备还能得到便宜。朝中方面认为，这项议程讨论的就是军事分界线的问题，因此，必须确定一个事实上的分界线，同时对停战前军事分界线的变化也充满信心，认为美国人不会得到便宜，因此，提出在各项议程全部达成协议后，届时根据双方接触线的实际变化再对军事分界线加以调整。美方代表只好同意，经过双方参谋人员校订接触线后，双方代表团大会于11月27日批准了该项议程小组委员会于11月23日达成的关于军事分界线的协议：以双方现有实际接触线为军事分界线，双方各由此线后撤2公里以建立军事停战期间的非军事区。如果停战协定在本协议批准30天后签字，届时按双方实际接触线的变化修正上述军事分界线和非军事区。
停战谈判形势的出现，是志愿军和人民军胜利作战的结果。同样，关于军事分界线问题的谈判达成协议，也是志愿军和人民军作战有力配合的结果。历时4个月关于军事分界线问题的谈判充分表明，如果没有有力的军事打击相配合，同美国人讲和是不容易的，美国人是很傲慢不讲道理的，“要是讲一点理的话，那是被逼得不得已了”。
此后，谈判双方仍以小组委员会的方式，于11月27日、12月11日和1952年2月6日，先后分别进入了第三项议程（关于实现停火休战的具体安排）、第四项议程（关于俘虏的安排）、第五项议程（关于向双方有关各国政府建议事项）的谈判。但美方仍是故伎重演，采取不讲理和拖延态度。