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此时，中国在政治上忍无可忍，军事上没有退路。10月8日，毛泽东召集刘少奇、周恩来、朱德、邓小平、陈毅、贺龙、聂荣臻等人开会，再次讨论中印边境局势。
鉴于印方已经做好大规模侵入中国的准备，中国人民解放军总参谋部发出了歼灭入侵克节朗的印军的预先命令。同一天，周恩来会见苏联驻华大使，向苏方表达了如果印军发动进攻，中方将坚决自卫的立场。
同时，周恩来也含蓄地指出，印军使用苏制米格直升机在中印边界进行空投，运送军需，对我方战士有影响，对依然偏袒甚至暗中支持印度的苏联提出批评。
10月17日，印军在中印边界东西两段同时炮击中国军队前沿阵地，开始大规模武装进攻。
侵入麦克马洪线以北克节朗地区的印军也连续向中国边防部队发动进攻。当日下午，毛泽东再次召集刘少奇、周恩来等人开会，研究部署自卫反击问题。当晚11时，毛泽东签发中央军委作战命令。命令指出：为了保卫祖国边疆，中央决定进行反击战役。Tibet军区部队首先粉碎印军对麦克马洪线以北克节朗地区的进攻，并准备连续作战，歼灭可能来援之印军。新疆边防部队，首先粉碎印军进攻，然后歼灭入侵加勒万河谷和红山头的印军，并视情扩大战果。反击战开始时间当时定为10月19日拂晓，后因Tibet军区提出建议，改为20日拂晓。
1962年10月20日凌晨，中国军队开始进行自卫反击，战事进展顺利。
在东段，中国军队很快歼灭了侵入麦克马洪线以北克节朗地区的印军第七旅和其他印度部队，收回部分领土。在西段，中国军队清除了印度军队在中国领土上设立的43个据点。22日，中国国防部宣布，由于印军越过麦克马洪线，侵占中国大片领土，向中国边防部队发动大规模进攻，中国“为了防止印度军队卷土重来，再度发动进攻，我边防部队在自卫战斗中，没有必要再受这条非法的麦克马洪线的约束”。战斗进行到23日时，据马克斯韦尔说，随着印军第48旅彻底瓦解，“在东北边境特区以及在西段中国方面所主张的领土内，已经不存在任何有组织的印度军事力量了。
从军事上来看，中国方面取得了完全的胜利，印度方面遭受到彻底的失败”。
10月24日，中国政府声明全文发表，其主要内容是：
第一，中印双方确认边界问题必须通过谈判和平解决，
在和平解决之前，中国政府希望印度政府同意，双方尊重在整个中印边境上存在于双方之间的实际控制线，双方武装人员从这条线各自后撤二十公里，脱离接触。
第二，在印度政府同意前项建议的情况下，中国政府愿意通过双方协商，把边界东段的中国边防部队撤回到实际控制线以内，同时在两国边境中段和西段，双方保证不越过实际控制线
。有关双方武装部队脱离接触和停止武装冲突事宜，由两国政府指派官员谈判解决。
第三，中国政府认为，为谋求中印边界问题的友好解决，中印两国总理应该再一次举行会谈。
在双方认为适当的时候，中国政府欢迎印度总理前来北京；如果印度政府有所不便，中国总理愿意前往新德里进行会谈。
就在中国政府发表声明的同一天，周恩来致信尼赫鲁，呼吁他响应中方建议。这是两国总理1960年4月在新德里会面后第一次通信。在信中，周恩来力劝尼赫鲁：
“我们应该向前看，我们应该采取措施，扭转局势。”
为了配合政府发表声明和总理致函尼赫鲁等重大外交行动，中国军队这一天停止了对印军的追歼行动，集结在东段达旺河以北地区等候命令。
