20日一早，美军出动30架次B-26型轰炸机在大量炮兵配合下，对上甘岭进行地毯式轰炸，其300余门重炮同时向志愿军实施轰击。对方40多辆坦克由于受地形限制，无法实施集团突击，干脆抵近高地作为固定火力点，直接支援步兵进攻。
美军在这次战斗中，共投入步兵3个营，采取多路多批次集团冲锋，后三角队形，兵力由小到大，一波接一波，在宪兵队的督战下，轮番冲锋。
志愿军代司令邓华知道这一情况后，对秦基伟指示说：“对方以营团兵力在狭窄地域实施密集冲锋，是用兵上的极大错误，应抓住这一时机，大量歼敌。”
秦基伟将这一指示传达给崔建功，要求部队树立起“一人舍命，万夫难挡”的革命英雄主义精神，放开打，狠狠地打。
同时，秦基伟还告诉他们说：“全军都在关注你们，而且会全力支援你们！”
激烈的炮火使得整个上甘岭都被硝烟所笼罩，相隔百米就无法看到信号枪的光亮，双方只好都使用迫击炮发射信号炮弹来进行联络。
黄昏时分，部队已连续激战一天一夜，交战双方的伤亡都很大。
四十五师已经没有一个完整的建制连队，21个步兵连伤亡均逾半数以上，再加上后援无济，无力再战，只得放弃表面阵地退入坑道，除597.9高地西北山梁上的4个阵地外，其余阵地均告失守。