战役准备就绪后，彭德怀将作战预案电告毛泽东。毛泽东于12月29日复电，再次强调：“所谓三八线在人们脑子中存在的印象，经过这一仗，也就不存在了。我军在三八线以南或以北休整，均无关系。但如不打这一仗，从12月初起整个冬季我军都在休整，没有动作，则必引起资本主义各国甚多揣测，民主阵线各国亦必有些人不以为然，发生许多议论。如我军能照你们目前部署，于1月上半月打一个胜仗，争取歼灭伪军几个师及美军一部，然后休整两个月，准备春季攻势，则对民主阵营及资本主义各国人民大众影响甚好，对帝国主义则给以新的一击，加重其悲观失败情绪。”为出其不意地袭击敌人，以达成战役的突然性，彭德怀决定把战役发起时间定在年底。
12月31日晚17时，志愿军和人民军按照作战计划，经过短促炮火准备之后，在全线发起进攻。敌军毫无戒备，惊慌失措，伪军的第一道防线很快就被打乱。当夜，我军以锐不可当之势突破美军的第二道防线。美伪军无力招架，狼狈南逃，我军乘胜追击。至1951年1月4日，志愿军和人民军一举解放汉城。由于此次战役未形成对敌包围态势，在攻击中未能大量歼灭敌人的有生力量，又考虑到敌人虽有坚固防线而未固守，为警惕敌诱我深入，实施登陆夹击我军的企图以及我后方已拉得太远，后勤供应跟不上等因素，彭德怀遂于8日下达命令停止追击，结束第三次战役。
这次战役，志愿军和人民军齐心协力，并肩作战，经过连续七昼夜的艰苦奋斗，以每小时前进一公里的进攻速度前进了80至110公里，歼敌1.9万人，占领了汉城，将敌军打退到平泽、安城、堤川、三陟一线，粉碎了敌人在联合国玩弄的停战阴谋及固守“三八线”以争取时同准备再战的企图，进一步扩大了我国在国际上的威望与影响，加深了敌人的内部矛盾和失败情绪。
“联合国军”退到北纬37度线附近，丢失了南朝鲜伪政权首府汉城，美国威信大降，国际舆论哗然。为了挽回影响，新任的美第八集团军司令李奇微使出全身招数，采取集中兵力，加大纵深，美伪混编等办法，向中朝军队发起新的反扑，试图夺回失地。他采用一种所谓的“磁性战术”，即在大规模交战之前，组织机械化小分队骚扰我军，以消耗我的方式紧紧牵制我军，在他们有利时，向我攻击，不利时则迅速收缩。
1月25日，敌人集中了5个军16个师3个旅1个团共23万兵力，陆续向我全线200公里的防御正面发起了进攻。当时，志愿军由于连续作战十分疲惫已准备休整两个月后再发起春季攻势，不得不临时改变计划。中朝军队重新振作精神，立即由休整转入防御。但由于来不及补充兵员和给养，我军处于“青黄不接”的严重状况之下。
战役初期，中朝军队采取坚守防御和战役反击相结合的部署，在汉江南岸实行阵地防御，又于横城地区实施了成功的战役反击，基本上歼灭了南朝鲜军一个师。随后因攻击砥平里受挫，加之粮弹不济，中朝军队全线转入机动防御，在前线采取兵力隐蔽疏散配置，在一地杀伤较多的敌军后即行转移的战术，以空间换取时间。
为能解决部队休整问题，毛泽东在总结战役的经验教训后提出：“为粉碎敌人意图，坚持长期作战，达到逐步歼灭敌人之目的，我中国人民志愿军拟采取轮番作战方针。”遂令三兵团之十二、十五、六十军，二十兵团之六十七、六十八军以及第四十七军自3月起陆续入朝参战。入朝后，同即将入朝的十九兵团之六十三、六十四、六十五军共9个军27个师作为第二番部队。
毛泽东还具体制定了将已入朝和准备入朝的21个军编组为三番，轮番到第一线作战的计划。由于采取了这一方针，我军前线部队在不能与敌脱离接触的情况下，可以利用精锐的后备力量来接替久战疲惫的部队，交替进行休整，以保持部队斗志旺盛，粉碎敌人以“磁性战术”等手段不断消耗我军的图谋，同时使更多的部队经受了战争的锻炼，提高了在现代条件下作战的能力。实践证明，轮番作战适合我军情况，有利于发挥我军兵力充足的优势，是有效打击敌人的一个好方法。
为激励斗志，赢得时间，保证战役胜利，志愿军总部和朝中联合司令部连续发出指示，要求各级指挥员很好研究敌人的进攻特点，改进我军战术，并且明确指出：我之作战方针是“积极防御，纵深设防，利用良好地形（山区、河流）节节阻击，迟滞和杀伤敌人，赢得时间，以待后续部队到来进行战役反击”。同时指出，战役上的积极防御，在战术上应是节节阻击和反击相结合的办法。另根据敌人每次进攻之前，必以其优势的炮兵、坦克和航空兵火力，先对我阵地进行毁灭性的轰击，尔后步兵才实施冲击这一特点，指出“在现代化作战中，尤其在敌空军、炮火占优势的情况下，进行积极防御作战的原则，必须是控制要点要道、荫蔽疏散、宽大纵深、前轻后重的配备”，“火力组织应以反坦克与杀伤敌步兵为火力网重点”，并“宜将步兵火器尽量配属前梯队，加强前沿火力”。这些原则，即后来所说的“兵力配备前轻后重，火器配备前重后轻”的原则。
按照这些作战原则，我军积极防御，在两个月的时间里，敌军付出了重大伤亡，只前进了100公里。中朝军队为了引敌于预定战场，逐步撤至“三八线”以北，放弃了汉城和“三八线”以南地区。4月中旬以后，志愿军战略预备队入朝，“联合国军”和南朝鲜军除在铁原、金化地区继续进攻外，在其他地区基本上偃旗息鼓，停止了进攻。
至4月21日，历时87天的第四次战役宣告结束，我军歼敌7.8万余人，敌人平均每天要付出900人伤亡的代价，才能前进1.3公里。此次战役是我军在对敌人运用现代化技术装备迅速补充、迅速调整部署、迅速由退为攻估计不足的情况下，被迫转入防御作战的，战役条件相当艰苦，后勤供应十分困难。但是志愿军很快判明了敌人的企图，采取了从被动中争取主动的措施。在作战指导上，采取在西线以坚守防御牵制敌人主要进攻部队，在东线有计划地让敌人前进，待其态势突出，侧翼暴露时集中主力对其反击的战法，以求动摇敌人进攻的态势。在反击作战取得胜利继续向纵深发展受阻，未能打破敌人进攻时，又适时转入全线运动防御，以空间换取时间，待战略预备队集结后再转入进攻。中朝军队灵活地运用了坚守防御、战役反击、运动防御等作战样式，把运动战和阵地战紧密地结合起来，变被动为主动，进而取得了战役的胜利。
第四次战役期间，“联合国军”重新将战线推至“三八线”附近地区，各参战国之间和美国统治集团内部对是否再次越过“三八线”和用什么方式结束朝鲜战争，发生了严重分歧。经过磋商，决定在不扩大战争范围的前提下，稳步向朝鲜北部推进，待占领有利地区后，即以“实力政策”为基础，或与中朝进行外交谈判，或继续其军事行动，以保持美国在亚洲的地位。
这时毛泽东的想法是：在敌之地面兵力占优势的情况下，我军暂不进行战役性出击。如敌逼我应战，“拟让敌进至三八线南北地区，在我第二番志愿军部队九个军到齐后，再进行有力的新战役。”毛泽东估计，敌占领“三八线”以后的行动有三种可能：第一，趁我疲劳继续北进；第二，暂时（10天至20天）停止于“三八线”；第三，较长时间（两三个月）停止于“三八线”，进行永久筑城，待阵地大部巩固后再进。这三种可能以前两种可能为多。但敌发现我有大量援兵到达时，第三种可能不仅存在，而且又发生另一种情况，即变为长期相持于“三八线”。毛泽东认为，我应力求避免这种情况。我军应在第二番部队入朝后，趁敌进至“三八线”以南地区立足未稳时，在4月15日至6月底，两个半月内实施战役反击，在“三八线”南北地区消灭美伪军建制单位几万人，然后向汉江以南地区推进。
4月初，“联合国军”开始越过“三八线”，并计划侧后登陆配合正面进攻，将战线推至北纬39度线及其以北地区，“在朝鲜半岛蜂腰部（即元山至平壤一线）建立新防线。”
根据毛泽东的设想和敌情，彭德怀开始考虑对敌人进行大规模反击。4月6日，志愿军召开第五次扩大会议，着重研究第五次战役问题。会议决定趁敌军实施登陆之前和进入“三八线”南北地区立足未稳之机，实施新的战役反击。
4月22日黄昏，第五次战役正式打响。中朝军队以14个军（其中志愿军11个军，朝鲜人民军3个军团）共70万人的兵力，采取两翼迂回正面突击相结合，战役迂回、割裂与战术分割包围相结合的战术，向刚刚进至“三八线”附近的敌军17个师约34万人发起攻击。
在第一阶段的进攻中，我军以多钳合击的战法，全线推进了70至80公里。可是由于敌人针对我军夜间迂回穿插的战术，采取了以节节后撤消耗我军尔后伺机反击的对策，我军未能成建制地大量围歼敌人。在第二阶段的进攻中，中朝军队又向东线的南朝鲜军实施分割包围，击溃其4个师，前进50至60公里。然而在第二阶段攻势结束时，我军因后勤保障能力不足，难以继续发展胜利，决定班师休整。部队在后撤时未能组织好交替掩护，结果在敌人大举反扑并以特遣部队实施穿插时，志愿军有两个军一个师被敌截断，经顽强奋战后，大部分部队突围成功，但是有一个师受到严重损失。随后中朝部队全线展开进行阻击，将战线稳定在“三八线”附近。
第五次战役，中朝军队携手奋战50天，在两阶段的攻势中都取得了一定的胜利，共歼敌8.2万人，粉碎了敌妄图以侧后登陆配合正面进攻，在朝鲜蜂腰部建立新防线的计划，夺回了主战场。这次战役，我军取得了入朝后最为深刻的经验教训，对于现代化战争的特点有了比较全面的认识。特别是在战役开始前，我企图在第一阶段就歼灭敌军五个师，可是因敌变换战术，在战役中我军只是成团、成营建制地包围了部分美军，却无一能成建制地予以歼灭。
