面对战火重燃的形势，中国领导人意识到：不再次痛击入侵印军，就不足于彻底打掉印度当局的狂妄野心。于是下令西藏、新疆边防部队分别在中印边界东段、西段再次反击入侵印军。
针对入侵印军兵力、火力有所加强的情况，中央军委对参战部队亦作了相应的调整和准备。总部署为：东段，西藏军区前指指挥8个步兵团、3个炮兵团的主要兵力，反击西藏山南达旺河以南西山口、德让宗、邦迪拉地区的入侵印军，另以4个团的兵力由新组成的东段东部地区指挥所率领，反击西藏昌都瓦弄地区的入侵印军；驻山南、林芝的边防部队在东段中部地区反击，以配合主要方向作战。西段，新疆军区前指指挥1个团的兵力，向西藏阿里班公洛地区的入侵印军实施反击。总部对参战部队的要求是：打退入侵印军的进攻后，乘胜拔除中国境内的所有入侵印军据点，收复被印军侵占的中国领土。
11月16日下午3时许，西山口地区的入侵印军兵分三路，气势汹汹地向中国边防部队发起了猛烈攻击。根据整个西山口——邦迪拉地区入侵印军之“铜头、锡尾、背紧、腹松”的布势特点，西藏军区前指决定以一部兵力反击西山口的入侵印军，打其“头部”；以一部兵力从两翼夹击申隔宗、略马东地区，击其“腹背”，另以一部兵力实施大迂回，直插德让宗、邦迪拉之间，切敌之“尾”，多路并进，向心合击，将该地入侵印军分割包围，各个歼灭。17日晚，担任迂回任务的部队以迅雷不及掩耳之势，击溃驻登班的印军一个营，一举切断了镕让宗——邦迪拉公路，从而完成了对西山口地区入侵印军的包围之势。
18日上午，西藏边防部队发起总攻。担任“斩头”任务的主力部队兵分两路，一路从西山口正面强攻，一路从西山口右侧后迂回反击，经四个小时激战，力克西山口；执行“切尾”的部队先是粉碎了印军的节节阻击，接着便拿下了邦迪拉主峰；打击印军“腹背”的部队则在山南边防分队的配合下，连阻带击，死死地堵住了印军南逃的道路。经过几天的战斗，各路我军全歼印军3个旅，毙俘印军准将旅长豪尔·辛格以下官兵5200余人。至21日，西山口——邦迪拉方向的反击作战胜利结束。
在主力部队对西山口——邦迪拉地区入侵印军“掐头”、“切尾”之际，另一支中国边防部队也在瓦弄地区打的入侵印军丢盔弃甲，狼狈不堪。战斗开始不久，敌十一旅旅长便随四军军长考尔中将乘飞机仓皇逃跑，部队大部溃散。我军乘势进击，连克10余个印军堡垒，于16日下午5时，攻占瓦弄，并继续向南追击，18日进至哈拉，19日进至拉木维西和萨木维尔，21日进至金古底，直逼传统习惯线。瓦弄大捷，令新德里当局大惊失色，慌作一团，其整个“东北边境特区”更是处于“草木皆兵”，极度混乱之中，甚至连把该地区“一切能炸毁的东西统统炸掉”的“焦土政策”都拟定好了。
东段中部地区，西藏山南边防部队于18日向里米金方向的入侵印军反击。林芝边防部队于19日向梅楚卡、都登方向的入侵印军反击。面对我军猛虎下山般的威势，印军将无战意，兵无斗志，弃阵逃遁。至21日，我军共拔除印军据点16处，占领里米金、梅楚卡、更仁等要地。昌都边防部队也于同时夺回卡里、古里、卡伦等地，进驻汉洋底。上述三支担任配合作战任务的部队以出色的战绩，有力地配合了主要方向上的反击作战。
中印边界西段上的主要战场是在班公洛地区。班公洛位于西藏阿里日土县斯潘古尔湖西侧地区，西面紧接印度实际控制区的拉达克，是入侵印军在西段设置的一个重要前进基地。从第一阶段全面进攻失败后，印军又向此地增派兵力，并依据山险建立了6个据点，这些据点工事坚固，火网密集，且在周围布下了大片雷场。印军借此可以控制西藏阿里边防分队的哨卡，并给整个阿里纵深地区的安全造成了威胁。
11月18日上午，印军调集重炮，猛轰驻守在斯潘古尔湖地区的新疆边防部队，并发起了进攻。新疆边防部队指挥部当即作出部署：迂回入侵印军侧后，摧毁印军据点；进而消灭侵占班公洛地区的全部印军。战斗打响后，我军各路反击部队顶风雪、冒严寒，前仆后继，勇往直前，经过两个多小时激战，首克印军3个主要据点，继下另3个据点。守敌一部被歼，大部遭重创后逃窜。20日，班公洛地区反击战胜利结束。至此，中印边界东段、西段上的所有入侵印军据点被全部清除。由印度当局蓄意挑起的这场战争以中国方面完全胜利，印度方面彻底失败而告终。
就在印军全线瓦解，印度朝野一筹莫展，惶惶不可终日之际；就在中国边防部队节节胜利，收复了印军越过1959年11月7日实际控制线所侵占的中国领土并进入了“麦克马洪线”以南的中国领土，军事上处于绝对优势之时，中国政府于11月21日向全世界发表声明，宣布：
一、从1962年11月22日零时起，中国边防部队在中印边界全线停火；
二、从1962年12月1日起，中国边防部队将从1959年11月7日存在于中印双方之间的实际控制线后撤20公里；在东段，中国边防部队虽然至今是在传统习惯线以北的中国领土上进行自卫反击，但仍准备从目前的驻地撤回到实际控制线，即非法的“麦克马洪线”以北，并且从这条线再后撤20公里；在中段和西段，中国边防部队从实际控制线后撤20公里；
三、为了保证中印边境地区人民的正常往来，防止坏分子的活动和维持边境的秩序，中国将在实际控制线本侧的若干地点设立检查站，在每一个检查站配备一定数量的民警，并且将通过外交途径把上述检查站的位置通知印度政府。声明还指出：中国期待印度作出积极的响应。即使印度不能及时作出这种响应，中国也将执行上述措施。
通过这项声明，中国政府再一次用实际行动表示了中国主张通过和平谈判而不是通过战争来解决中印边界问题的诚意，以及保持中印友好关系的愿望。换句话说，打了胜仗的中国并没有在硝烟未散之时，以胜利者的姿态凌驾于对方之上，所提出的条件是仁慈、宽厚的，并且是两国关系恶化以来一直坚持的东西。对此，英国《泰晤士报》评论道：中国单方面的停火和后撤“这个突如其来的决定与其说使人们松了一口气，不如说使人们大吃一惊”。其惊奇、不解乃至暗中嘉许的心情，溢于言表，可以说，该评论代表了当时全世界各地的普遍反应。
随之而来的是，中国一丝不苟地实践了声明中的主张以及一些战争史上从未有过的善举。
1962年11月22日零时，中国边防部队奉命在中印边界各段主动停火；
12月1日，准时开始后撤；
12月中旬，中国边防部队奉命将在反击战中缴获的大批武器弹药、车辆、服装以及“一支战败军队通常所遗弃的其他物品”，包括一批印军没来得及打开箱子的美式自动步枪和一架苏制直升飞机，整理齐全，登记造册，全部交还了印度；
1963年3月1日，中国边防部队全部后撤到1959年11月7日实际控制线20公里以内；
5月26日以前，把印军被俘人员全部释放回国。
至此，这场自卫反击战的尾声部分正式落下帷幕。