1952年4月，彭德怀因病回国治疗，病愈后留在北京主持中央军委日常工作。6月11日，邓华被任命为志愿军代司令员兼政治委员，全面主持志愿军工作。这时，虽然朝鲜战场处于相对平稳状态，但双方严阵以待。在朝志愿军已达17个军，外加装甲兵、炮兵、铁道兵、公安军等已逾百万，连同朝鲜人民军45万，总兵力超过150万。联合国军方面兵力为110万。停战谈判陷于僵局，出于对谈判施加压力，对方可以凭借其海空军优势在战场上遥感，如果要破裂谈判，那将是大的动作。
6月6日至9日志愿军兵团干部会议上，邓华在题为《调整部署，加强纵深工事，坚决粉碎敌人的进攻》的报告中，提出根据变化了的情况，现在的积极防御，内容上是带坚守性的。并在战术上采取积极活动的方针，如向敌挤占地方，开展狙击及火力袭击等方法，不断地削弱消耗敌人，使敌人处于一种防我进攻的姿态，迫使敌人处于被动地位。
9月上旬，朝中方面调整部署已经完毕，从志司到各兵团均掌握了庞大的机动兵力，特种兵和炮兵进一步得到加强，前线物资供应有了大的改善；特别是以坑道为骨于的防御体系，不仅第一防御地带工事已经完成，而且第二防御地带工事也大体完成，并在5—8月期间积累了依托坑道工事攻防作战的经验。
9—10月，邓华和副司令员杨得志、副政委甘泪淇等指挥志愿军进行了全线性战术反击作战和著名的上甘岭战役。9月18日至10月5日为第一阶段，在志愿军首长统一计划下，志愿军6个军，朝鲜人民军2个军团不等齐地陆续发起进攻；第二阶段从10月6日至31日志愿军 7个军同时发起进攻。在两个阶段作战中，对敌60多个目标进攻作战77次，共歼敌2万7千余人。
毛泽东对全线性战术反击作战给予很高的评价，在10月24日给邓华等人发出的电报中指出：“此种作战方法，继续实行下去，必能制敌死命，必能迫使敌人采取妥协办法结束朝鲜战争。”
在全线性反击作战第二阶段战斗激烈进行之际，美方为破坏志愿军之攻势，同时也为了改善其在金化地区防守态势，于10月14日发动了蓄谋已久的“金化攻势”（我方称之为上甘岭战役）。
当驻守这一地区的第15军秦基伟军长打来电话，报告战事情况时，邓华激动地回说：“我们等着他进攻等了4个多月了！出门了，好啊！”邓华在电话中同意第15军决定通过对阵地的反复争夺，来更多地消灭敌人有生力量的决策。并于15日电令15军：“原定反击注字洞南山暂不进行，45师应迅速到五圣山集结，集中力量反击敌人进犯。”从14日到20日的几天中，联合国军白天占领地面阵地，志愿军则在夜晚依托坑道反击歼敌，恢复地面阵地，有时一天之中地面阵地数次易守。上甘岭成了一片火海、尸山！10月20日晚，邓华下令：前沿部队全部退入坑道，准备依托坑道，协同前沿火力反击和兵力反击，里应外合地夹击敌人，杀伤敌人于阵地上，最后恢复地面阵地。10月21日，邓华向第15军发出电话指示：“目前敌人成营成团向阵地冲击，这是敌人用兵的错误。对于我方来说，这是歼灭敌人于野外的良好时机，应抓紧这一时机，大量杀伤敌人。”
在此期间，以邓华为首的志愿军司令部还及时采职诸多断然措施支持上甘岭前线。这些措施是：原定10月22日停止的全线性战术反击，延续到10月底；迅速给第45师补充1200名新兵；急调榴弹炮兵第2师、第7师、火箭炮兵1个团、第60军炮兵团、高炮两个团之各一部加强给第15军；命令就近各后勤兵站保障对第15军弹药食品等物资的供应。特别重要的一项措施是，命令准备回去休整的第12军停止北返，迅速南进，作为战役预备队归第3兵团指挥。
这次由战斗发展成为战役规模的上甘岭坚守防御战役历时43天。在不到四平方公里的两个高地争夺战中，敌人先后投入6万余人的兵力，火炮300余门，坦克170余辆，飞机3000余架次，共发射炮弹190余万发，投掷炸弹5000余枚，上述两个高地土石被炸松一至两米，战后随手抓起一把松土就有好几块弹片！志愿军出动兵力4万余人，使用火炮140余门，发射炮弹40余万发，在单位火力密度上创造了我军战史上的最高纪录。联合国军方面付出了伤亡2万5千人的代价。
志愿军的最终胜利，生动地反映了以邓华为代表的志愿军指挥员的卓越的指挥艺术。上甘岭作战已被许多军事教科书赞誉为坚守防御作战的光辉范例。
