11月10日，西藏军区向西山口方向迂回的第11师的两个团全部轻装，自携粮食弹药，由千余名藏族民工支援，沿小路向印军深远后方进行距离达160公里的大迂回，其他迂回部队也分头出发。11月14日，印军为庆祝尼赫鲁的生日，首先向瓦弄方向的中国军队发起小规模攻击，解放军第130师打退印军攻击后，于16日向印军发起大规模反击。因地形所限，战斗基本沿察隅河谷形成一线平推。中国军队于一天内即将印军第11旅击溃，随后转入追击和搜剿，当面印军虽有半数逃脱，却已全部溃散。
11月17日，中国迂回部队从小路到达印军第4师纵深地带时，印军第4师主力发现后方的公路已被切断，战役布势陷入紊乱。次日解放军第55师在西山口正面发起强攻，山南分区部队经迂回从中央切断了西山口与邦迪拉的联系。被切断在邦迪拉以北的印军失去统一指挥，丢弃了全部车辆和重装备各自分散向深山中奔逃，中国军队随即转入搜剿。印军精锐第4师一部被歼，所余人员大都通过不丹境内窜回后方。
11月18日至20日，新疆军区部队也以1个多团的兵力扫除了西段残存的6个印军据点。至此，印军在中印边界西段越境设置的据点全部被扫除。
印度在边境作战中出现出乎意料的惨败，国内舆论出现了一片惊慌，国际舆论大都认为中国军队会乘胜深入印境。1962年11月21日，中国政府突然宣布停火，并下令将部队撤回到1959年11月实际控制线本侧20公里之内。这一行动，表明了中国和平解决中印边界的诚意，赢得世界舆论的称赞。
在中印边界东西两段的反击战中，中国参战部队总计不足4个师，战斗中伤亡2400余人，击毙印军4900余人，俘虏印军3900余人。印军参战的3万部队中，近万人被击毙、俘虏和击伤，其余多数溃散。中国军队战斗伤亡共2400余人，没有人被俘。
中印边境自卫反击战是一场规模、时间都很有限的边界作战，在惩罚性打击的目的达到后便主动停火后撤。这场反击战的政治意义大于军事意义，作战行动紧密地服务于外交斗争的需要。毛泽东称中印边界反击战是一场“军事政治仗，或叫政治军事仗”。根据我国的和平外交政策和解决历史遗留的边界问题的一贯立场，中央一直坚持中印边界问题应在互谅互让的基础上通过谈判求得公平合理的解决，反对诉诸武力，只是因印度政府企图以武力改变边界现状才不得不以军事打击予以教训。中国在获得胜利后主动撤军，也正表明了以和平谈判解决边界问题而反对以武力改变边界现状的一贯立场。
