1950年10月29日，秦基伟将军参加完西南局会议之后，便主动请缨要参加抗美援朝战争，第二年的3月份，秦基伟将军率15军跨过鸭绿江，从4月22日开始，秦基伟将军指挥第15军先后对美军第38团进行迎头痛击，在各类防御战和攻击战中都取得了辉煌的成果。
1952年3月，朝鲜战争已经进入了白热化阶段，中美双方对这场战争打得都十分吃力，此时，第15军接到紧急命令，接替第26军的防线，在朝鲜的平康、金化、淮阳一带约30公里的区域组织阵地防御，这场战争直接关系到抗美援朝全局，是一项具有战略意义而又十分艰巨的任务，当时的美军第8集团军司令范弗里特曾经对此表示了自己的担忧：
只要中国军队控制此地一天，就是联合国军的心腹大患！
为了夺取这一阵地，范弗里特亲自指挥40架飞机、320多门大炮、127辆坦克进行了狂轰滥炸，发动了著名的“金化攻势”，对上甘岭阵地更是全力争夺，秦基伟将军前沿阵地的电话线被炸断、电台被炸毁，连话务员都被震死，却一点信息都接收不到，紧要关头，秦基伟将军走出指挥所，在山坡上的一块岩石处，亲自观察战事，琢磨破解之道。
坚守在上甘岭的45师135团，和敌人鏖战到黄昏，伤亡极大，除了两个高地被敌人占领外，其余阵地和主峰仍在15军手中，秦基伟意识到如此硬拼，最终把老底打光也守不住阵地，于是便亲自打电话给志愿军副司令员洪学智，要来了一个“喀秋莎”火箭炮营，最终成功将两个阵地夺了回来。
秦基伟将军曾形象地描绘上甘岭战役，敌我双方都经过了长期的准备，都憋足了劲，好比下棋一样，出手就是当头炮。回忆起上甘岭战役，晚年的秦基伟将军仍然是唏嘘不已，这样形容那场战争的惨烈：
我这个指挥员，在那个指挥所里，是一则亦喜，一则亦惧，喜的是什么呢？电话响了，一接，电话那头说我们打上去了！高兴得很！一听电话说敌人又上来了，心里非常沉重，整个人时刻都处在这种心情中，但总体上我们还是有胜利的信心！
上甘岭战役打了半个月的时候，第45师师长崔建功哭着给秦基伟将军打电话，说现在已经把老底都打没了，没什么人了！秦基伟将军急了，怒气冲冲的拿起电话对崔建功说了这样一番话：
告诉部队，打到最后一个人，我秦基伟上去守阵地！
老崔啊，伤亡再大，这个仗也一定要坚持打下去！告诉同志们！15军的男人流血不流泪，谁也不许哭，养兵千日，用兵一时，咱们国家像15军这样的部队多得很，只要把这个仗打胜了！把我们15军全部打完了，也在所不惜！你们不打胜仗不要回来。
崔建功一听老首长这么说，顿时也杀红了眼，跟老首长保证：
一号，请你放心，打剩下一个连，我当连长，打剩下一个班我当班长，只要有我崔建功在，上甘岭就还是我们志愿军的！
秦基伟军令如山，誓言般的声音传遍了整个上甘岭，传遍了15军的每个战士，成为了死守阵地的精神支柱，而上甘岭战役也成了抗美援朝战争中最为惨烈最为辉煌的一笔。
为了动员前线的战士们，秦基伟将战士们的婆姨娃娃全部拉到了前线，连自己的警卫连、警卫员全部都调到了前线，秦基伟将军的警卫员第一天就牺牲了，可见这场战争有多惨烈。
对于美军的疯狂进攻，秦基伟将军反复研究了战争形势，面对两军拉锯式反复争夺，表面阵地多次易手，45师3个团大多数连队只剩下了十几个人，有的连队甚至打光了，秦基伟将军认为再这样下去徒劳无益，于是便给邓华打电话，要求暂停反击，将部队全部转入坑道，学孙悟空，钻进敌人肚子闹个翻天覆地，通过小股部队与敌人进行周旋，同时抓紧时间调整部署，进行战略大反击，邓华对此建议表示同意。
虽然这一举动使得志愿军的伤亡数量暂时减少，但是转入坑道后又面临的一个新的问题就是被切断了水源，美军甚至还向坑道中投放毒气弹，用烟熏火烧的方式来消灭志愿军，在这种情况下伤员数量迅速增加，大家看电影《上甘岭》中就可以看到这一幕，前去找水的士兵很少能活着回来，总部支援的苹果最后能够转到战士们手中的不过只有几个，有的战士口渴难耐，只好喝尿，然而就是在这种艰难的环境下，战士们忍受着巨大的痛苦，仍然顽强地与美军展开了争夺战，为人类的生存极限创造了一个奇迹。
几天之后，当时的兵团代司令员王近山给秦基伟打了一个电话，他已经意识到15军已经打到了极限，于是便劝秦基伟将15军撤下来：
老秦，15军打到这个地步，已经到了极限，现在有两条路：一是顶着打下去；二是退一步再说！由你选择！
秦基伟一听这话，倔脾气立马上来了，对王近山说：
王司令员，你信不过15军吗？为什么不打？我的意见是坚决打下去，从这几天的战况看，范弗里特不过如此！
王近山知道秦基伟的脾气，所以在给他打电话的时候也是充分征求了秦基伟的意见，一看秦基伟还要继续打下去，知道继续劝说无用，只好对秦基伟说立马派部队给15军增援。
仗打到这个程度，双方已经是杀红了眼，10月25日，15军召开作战会议，秦基伟对各指战员这样说道：
现在整个朝鲜的仗都集中到了上甘岭，这是15军的光荣，15军打出了很强的作风，咬着牙再挺一挺，敌人比不了这个狠劲凶劲！
当时板门店谈判正在进行，双方都在等着上甘岭的消息，谁在上甘岭打得硬气，在谈判桌上就有底气，从上到下乃至于全国都在关注着上甘岭的消息，秦基伟有个独特理论就是：老子困难，范弗里特这个老东西更困难！
终于在11月25日，上甘岭战役结束，共毙敌俘虏敌人2.5万人，击落敌机270多架，最终守住了阵地，此战中志愿军伤亡1.15万人，创造了现代战争史上的光辉奇迹。
一直关注上甘岭战役的毛泽东主席，于1953年6月16日在中南海丰泽园菊香书屋单独接见了秦基伟。毛泽东说：
“上甘岭打得很好。上甘岭战役是个奇迹。它证明了中国人民志愿军的骨头比美利坚合众国的钢铁还要硬。这个奇迹是你们创造的。”
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