各地印军仓皇向达旺河以南逃去。昌都、林芝、山南的边防分队，也向当面入侵印军实施反击，先后拔除了呷林公、林卡、拉木多等地印军侵略据点，进占了易古通、哥里西娘等地。
在西段，新疆边防部队对加勒万河谷、红山头的入侵印军实施反击，经1小时激战，全歼守敌。接着又乘胜扩大战果，扫除了班公湖两岸及其以北地区的印军侵略据点。
第一阶段自卫反击作战胜利结束。在东段，中国边防部队越过麦克马洪线，进驻达旺，全歼印军第七旅，俘虏第七旅旅长达尔维准将。在西段，共清除印军侵略据点37个。
10月24日，中国政府为了维护中印两国人民的传统友谊，缓和印度当局制造的边境紧张局势，郑重发表声明，提出了停止冲突、重开谈判、和平解决边界争端的三项建议。边防部队遂停止追击，就地休整。
刘伯承在北京看到第一阶段作战的捷报之后，十分高兴。他估计印军绝不会善罢甘休，战役还会继续打下去。他抓紧时间阅读有关资料，对照地图研究战事的发展趋向。他打电话给总参，询问参战部队休整情况，当面印军的动向，印军反扑可能使用的兵力，战区的交通状况，那些河流能通航等等。
他要总参告诉前线部队：“通向前面的道路要急速加修。立即组织专人调查所控制地区内的地形、道路和居民点情况，部队到那里，那里的这些情况就要搞清楚、弄准确，兵要地理的问题不能忽视。这一点搞不好，就等于失去了作战指挥”。重视地形和道路问题，主要是为了保障运输畅通和后勤补给跟得上。因此，他再次关切地指出：“印军后缩，运输条件比以前好了，而我们运输补给要困难一些，印军可能用空军封锁我们，应预先作好防护准备。”“有些同志往往把后方补给作为第二等工作去处理。其实，打仗首先要考虑到用、吃、穿。”他总结了第一阶段反击作战的经验，反复向部队强调：“山地战要避免正面硬顶。有三条经验值得注意：一是只要有道路迂回，即使多走一些路，也在所不惜。二是无路可行，也可以利用山沟（两山脊间的洼地）插进去，一般山地沿山沟运动最终是能够翻过山梁的。三是顺山背夹背而进，相互策应。沿河流攻击应由两岸并进，不要只顾一面而遇到敌人的侧击。如迫不得已必须正面攻击时，就要坚持勇猛的打出去。‘狭路相逢勇者胜’，这时候就不能有丝毫犹豫。”
11月中旬，印军果然调集了更多的兵力、兵器，准备继续向中国军队进攻，并置重点于中印边境东段。为了遏制中国军队的正面反攻，他们在西藏山南地区的西山口一带作了前重后轻式的分段部署，形成外线较强、侧后较弱的配置。这个特点一下子让刘伯承抓住了，他指出：“照我看，目前敌人的配置，东段敌人兵力的重点在西山口、邦迪拉方向上，该敌配置特点是：铜头、锡尾、背紧、腹松……从西北向东南摆成一字长蛇阵对我组织防御。
在西山口方向，敌人左翼就是它的肚子，从这里开刀，要比砍背容易些。”
他要求部队采取迂回包围的战法来加以对付，并说：“分进合击是军事原则，是一个重要的战法；正面攻击和迂回部队，远距离迂回和近距离包围迂回的部队，这个方向和那个方向的部队，步兵和炮兵等等，都要切实协调一致的动作。”在指挥上，他特别关照部队指挥员：“一是道路，作专门调查，抓好这一点就抓住关键；二是统一的时间、计划都有了，要确保其实施，还应采取一些相应的措施，对影响部队开进和运动的各种因素，事先都要作好仔细的考虑；三是各方向的部队要有独立作战能力。这几点搞好了，分进合击就有把握。”
刘伯承身在北京，心在前线，几乎把作战部队可能遇到的问题，全部想到了，而且提出了一连串切实可行的对策。真可谓运筹帷幄之中，决胜千里之外。
11月14日和16日，印军再次发动进攻。
11月16日，中国边防部队坚决还击，自卫反击作战第二阶段的战斗打响了。在东段西山口方向，根据刘伯承“打头、击背、剖腹、切尾”的指示，西藏边防部队采取钳制正面，夹击两翼和迂回腹背的战术，一举形成对印军的合击态势。18日，发起了总攻，先后攻占了西山口、申隔宗、略马东、德让宗、邦迪拉等地，击毙印军第六十二旅旅长辛格准将。在东段的另一方向瓦弄地区，边防部队主力同日晚直插印军纵深，拔除了他们的据点，把他们赶得一路南逃。21日，逼近了中印边界传统习惯线。山南、林芝边防分队顺势进击，很快到达了预定地区。在西段，新疆边防部队，拔除了班公湖地区入侵印军残存的6个侵略据点，并将印军赶回到传统习惯线印方一侧。
11月21日，中国政府发表声明，决定在中印边境全线停火，并从12月1日开始主动回撤。为了表示中国政府的诚意，中国边防部队还奉命将作战中缴获的大批武器、车辆及其他军用物资，全部交还给了印度，并释放了全部被俘人员。
中印边境自卫反击作战，在军事上、政治上都取得了伟大的胜利，使全世界主持正义的国家和人民了解了中印边境争议的真相和中国政府的正确立场，提高了中国的国威军威，进一步巩固了西南边防。
刘伯承在担任军委战略小组组长期间，另一项重要活动就是深入到东北边防一线视察，了解边防建设和战备工作情况。1964年7月4日，他带领几名参谋人员先到沈阳，尔后经吉林省延边朝鲜族自治州北上，到达牡丹江市。
他接见了黑龙江省委和公安纵队负责人，乘船巡视了镜泊湖周围的地形，参观了一个军工厂。他还专程到中苏边境城市绥芬河视察，饶有兴趣地寻访他在1930年从苏联回国时的路线。只是由于30多年的沧桑变化，绥芬河的市容已全部改观，当年他冒着生命危险越境返国的途径也不能辨认了。他向大家风趣地述说了化装回国的经过情景，流露出不胜今昔之感。
就在这时，《人民日报》、《红旗》杂志联名发表了《关于赫鲁晓夫的假共产主义及其在世界历史上的教训》（九评苏共中央的公开信）。他听了广播，并在拿到报纸后的当天，从下午2点钟一直看到6点。他知道，自1957年以来，中苏矛盾逐渐激化，至今两党、两国关系已经彻底恶化，随之而来的，必然是两国边境局势的紧张。他这次出行，正是想通过实地巡视和考察，掌握东北边境地区的实际情况，找出加强防卫的有效办法来。由于连日旅途劳累，加上每到一地，看书、看报、看地图，进行调查研究，同当地领导人商谈工作，使他的眼病又一次发作，终日头晕目眩。但他未予理会。
7月16日，他由牡丹江赴哈尔滨。在哈市，他听取了黑龙江省军区负责人的工作汇报，详细观看了省军区的农、林、牧、渔场分布形势图。回到住地，他结合边防情况进行了分析，然后向随行参谋提出：“你们研究一下，若是象新疆那样组建生产建设兵团，按照黑龙江边境地区现有农场数目，在实际需要上够不够。哪些地区是战略要点，如何建设生产兵团，让沈阳军区考虑，请他们最近提出意见来。”他还视察了军事工程学院，在学院的书店里买了俄文书籍。在翻看这些书时，感到视力更加减退，头痛更加厉害。他不顾随行人员的劝阻，仍然决定到海拉尔去，现地勘察中苏边境布防情况，完成预定的视察计划。
7月20日，刘伯承继续北上，途经齐齐哈尔市，视察了两个军工厂。在观看试制的火炮、炮弹图样和实物样品时，他说：“现代战争机动性很重要，我们既要生产大口径的火炮，同时也要研究和生产轻便的、便于机动的、多种用途的火炮和炮弹，适用于山地、丛林作战，拆卸灵便，能打空中飞机、海上的轻型舰艇、陆地上的坦克和碉堡。”
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