时，沃克也下了狠心将陆战一旅投入反冲击。然而奇怪的是，作为人民军预备队的10师却一直按兵不动，直到战役结束。
9月2日夜，大邱方向的人民军第2军团发起总攻。但是第13师19团作战主任金成俊却于前一天叛变投降，透露了总攻计划的全部情况，因此失去了战役的突然性。但即使是这样，人民军的猛烈突击仍然冲垮了美骑1师的防御。次日，美陆战一旅在灵山方向发起了反冲击，双方均伤亡惨重。危急之时，美军内部却吵成一团，美陆战1师师长史密斯少将态度强硬，拒绝一切折衷方案，坚持不归建陆战 1旅就不去仁川。而此时离仁川登陆的预定时间9月15日只有不到两周了。
当晚，在远离战场的东京，远东舰队司令官乔伊中将、被预定作为第7 联合部队司令官负责仁川登陆的第7舰队司令官斯特鲁布尔中将强烈支持史密斯少将的主张，仍然不依不饶地向“联合国军”参谋长兼第10军军长的阿尔蒙德少将等陆军将领讨要陆战1旅，麦克阿瑟左右为难，但在他心目中仁川登陆的重要性还是压倒了一切，他最终作出裁决：“告诉沃克，令陆战旅归建。”但实际上沃克厚着脸皮又拖了一段时间，才把部队放回陆战1师。
9月3日夜，全线都在激战。东线人民军突破了新增援的南朝鲜军5师，美21团防线，开始进攻庆州。战至4日，美军防线漏洞百出，随时有全线崩溃的可能。美军指挥部连夜起草了5日进行总撤退的命令，但沃克毕竟是久经沙场的老将，扣住这个命令没有下达，并且鼓励手下的师长们说：“我打算在大邱街头上战斗”。9月5日当天美军共损失1,245人。大邱方向，美骑1师开始崩溃了。东线，人民军攻克浦项。釜山人心惶惶，南朝鲜政府准备退往济州岛，济州岛似乎要成为第二个台湾。
然而，也就是在这一天，人民军的攻击力也达到了极限。南线的攻击力一下子锐减下来。这预示着九月攻势又要重蹈八月攻势的覆辙。
美军终于得到了一个至关重要的喘息机会。沃克将陆战1旅归还陆战1师，将美24师转用于已经接近崩溃的东线。同时还把刚到达战场的英军第27旅也投入了大邱方向的战斗。其他两个方向人民军的攻势仍在进行着。9月8日，东线的人民军15师攻克永川，从侧面逼近大邱。南朝鲜军5、8师和11团立刻被投入该地域，以绝对优势的兵力对突入的人民军15师从3面围攻。就在这一天，人民军前线司令部参谋长姜健在一次空袭中阵亡，年仅三十二岁。
9日，人民军5、12师击破了南朝鲜军3师和美19团防御，进至庆州近郊。但此时美24师已经转用到了东线，在美24师，南3、6、8师在舰炮与飞机支援下的反扑下，人民军被迫后撤。10日，人民军15师在敌军的围攻下被打垮了，参谋长金延上校牺牲。
至此，东线人民军的攻势也以失败而告终。只剩下中央（大邱）方向了。从8日开始，人民军就与美、南军反复争夺大邱周围的几个制高点。战斗极其激烈，山头完全被炮火所覆盖，双方各占据一个山坡，进行激烈的白刃格斗和手榴弹战。在这次战斗中还发生了兄弟相残的悲剧，打扫战场的南朝鲜兵发现了身负重伤正在呻吟的亲弟弟，为减轻弟弟的痛苦哥哥朝他的胸口补了一枪，眼睁睁看着他在自己怀里死去！
14日，人民军的部队开始有了撤退的迹象。美军决定从16日开始全面反攻。其实，仁川登陆在15日就开始了。
轰轰烈烈的第5次战役最终失败了。究其失败原因，除了战役中人民军在各部队协调和配合方面犯下的错误之外，最主要也是最根本的还是双方的力量对比实在是相差悬殊，最后的结局只能注定如此。