同一天，周恩来、林彪前往苏联会见斯大林，商谈有关苏联的军事援助和对我志愿军提供空中掩护问题。斯大林一方面表示愿意提供16个志愿空军团给我志愿军作空中掩护，一方面又强调立即出动空军掩护有困难，至少还需要等两三个月才能准备好。由于苏联不能派空军给我志愿军空中掩护，周恩来不得不致电毛泽东再作定夺。由于出现这个波折，10月12日，毛泽东电彭德怀、高岗，指示志愿军各部仍就原地进行训练，不要出动，并请他们来京一谈。彭、高到京后，13日，毛泽东再次召开中央政治局紧急会议，就出兵、不出兵问题展开复议。会上，毛泽东强调中朝唇齿相依，让美军进到鸭绿江边与我对峙未必有利。会议经过反复讨论，终于下了出兵的最后决心。随即发电给周恩来：与高岗、彭德怀二同志及其他政治局同志商量结果，一致认为我军还是出动到朝鲜为有利。在第一时期，可以专打伪军，我军对付伪军是有把握的，可以在元山、平壤线以北大块山区打开朝鲜的根据地，可以振奋朝鲜人民重组人民军。两个月后，苏联志愿空军就可以到达。六个月后可以收到苏联给我们的火炮及坦克装备，训练完毕即可攻击美军。在第一时期，只要能歼灭几个伪军的师团，朝鲜局势即可起一个对我们有利的变化。我们采取上述积极政策，对中国、对朝鲜、对东方、对世界都极为有利；而我们不出兵，让敌人压至鸭绿江边，国内、国际反动气焰增高，则对各方都不利，首先是对东北更不利，整个东北边防军将被吸住，南满电力将被控制。总之，我们认为应当参战，必须参战。参战利益极大，不参战损害极大。
美国将军哀叹签订了历史上第一个没有取得胜利的停战协定
10月19日，中国人民志愿军的三个军和三个炮兵师分三路渡过鸭绿江。为了隐蔽，部队黄昏行动，拂晓停止。21日，“联合国军”攻占平壤，麦克阿瑟认为中国出兵的可能性极小，叫嚣要在11月23日感恩节前占领全朝鲜。他根本不知道中国人民志愿军几天前已经渡过鸭绿江，正在预定地区布下口袋等着他。25日，北进的李伪军1师、6师先头部队遭我志愿军伏击，被歼千余人，揭开了抗美援朝的帷幕。从10月25日到11月5日，历时10天的抗美援朝战争第一次战役共歼灭“联合国军”15000余人，打破了美军不可战胜的神话，稳定了朝鲜半岛的战局。
骄横的麦克阿瑟吃了败仗，仍然主观地认为中国只是派了少量部队入朝以保卫自己的边防，因此，他重新集结兵力，在海、空军的支援下加快北进速度。11月24日，麦克阿瑟向全世界宣布，“联合国军”已开始发动总攻，在圣诞节前结束朝鲜战争。随后，他又在广播中要求他的部队迅速打到鸭绿江，回家过圣诞节。我志愿军采取边打边撤、诱敌深入、分割包围、伺机歼灭的方针，从11月7日到12月24日，历时40多天的抗美援朝第二次战役，共歼敌36000余人，收复了平壤和“三八线”以北的广大地区。
第二次战役中，11月25日，我志愿军总部遭到美机轰炸，毛泽东的儿子毛岸英和另外一位名叫高瑞欣的同志不幸牺牲。一个多月以后，1951年1月2日，周恩来才把彭德怀关于此事的电报写信告诉毛泽东。周恩来的信和彭德怀的电报都不长，毛泽东却看了很久。长叹了一声后，他说，牺牲的成千上万无法只顾及此一人。事已过去，不必说了。毛泽东精神伟大，而实际的打击则不小！这是没有办法的事，毛泽东一度有下乡休息之意。
第二次战役后，彭德怀建议我志愿军暂时休整一段时间。12月27日，他在给毛泽东的电报中说：“一、二次战役胜利后，已改变朝鲜战局，我已由防御转为进攻。敌虽士气低落，但装备仍占优势；我虽士气旺盛，但武器装备太差，交通运输严重困难，要改善这些条件，最快还须3至6个月才能逐步实现。战役继续向南前进时，敌人防线缩短，兵力集中；而我之供应线延长，新的困难亦随之增加。”但是，那时美国正在玩弄先停火后谈判以争取时间准备再战的阴谋。12月14日，联合国通过印度等13个国家的停火提案，打着停火的幌子，企图阻挠我军突破“三八线”。毛泽东认为美英各国正要求我军停止于“三八线”以北，以利其整军再战。因此，我军必须越过“三八线”。如到“三八线”以北即停止，将给政治上以很大的不利。因此，他没有同意彭德怀的建议。
12月31日夜，我志愿军发起抗美援朝战争第三次战役，到1951年1月8日结束，历时8天，前进80~110公里，解放了汉城，共歼敌19000余人。
彭德怀认为，第三次战役美军是不战而退，他们的主力部队并没有受到多大损失，显然是诱我南下，造成供应线拉长，侧翼暴露，以便其利用海空优势重演仁川登陆故伎。这时，我军的弱点也逐渐暴露出来，装备差，无空中掩护，后勤保障能力弱，士兵携带的粮、弹只够维持5~7天。美军嘲讽我只能发动“星期攻势”。果然，1月25日，美军集结20多万兵力向我发起进攻，这就是抗美援朝战争第四次战役。这次战役历时87天，到4月27日结束。敌虽重新占领汉城，并把战线恢复到“三八线”一带，但我军大量杀伤敌人，共歼敌78000余人。
在第四次战役中，彭德怀对我志愿军面临的困难心急如焚。2月21日，他回京向毛泽东汇报朝鲜战局。他乘坐的专机降落西郊机场后，马上驱车中南海。不巧，毛泽东在西郊玉泉山，于是他又折返西郊。这时，毛泽东已经午睡，他不顾警卫人员的劝阻，径自闯入房间，将睡眠中的毛泽东唤醒，向他汇报朝鲜前线敌我情况和我志愿军面临的诸多困难。毛泽东听完彭德怀的陈述，经过认真思考后提出：朝鲜战争能速胜则速胜，不能速胜则缓胜，不要急于求成。这就给了彭德怀一个相机处置的余地。2月25日，周恩来主持军委扩大会议，讨论各大军区部队轮番入朝作战和如何保障志愿军物资供应问题。彭德怀对当时国内同样面临很大困难考虑不够，片面强调后方支援朝鲜前线不力，甚至激动地站起来拍桌子，大声喊，你们去前线看看，看看志愿军吃的是什么，穿的是什么，他们为谁牺牲？难道国内就不能克服一点困难吗？这次会议对加强志愿军第一线兵力和后勤供应问题作了许多重要决定，如人民解放军各部队轮番到朝鲜前线参战，这样既可替换第一线部队休整，又可锻炼部队，提高全军现代化作战能力；派高炮部队入朝以掩护志愿军后方交通线；号召各行各业增产节约、捐献飞机等。
3月24日，“联合国军”总司令麦克阿瑟擅自发表要将战争扩大到中国境内的声明，被杜鲁门撤职，李奇微接任“联合国军”总司令。李奇微的如意算盘是重演仁川登陆故伎，在朝鲜半岛的蜂腰部我志愿军背后登陆，使我军腹背受敌。为了粉碎敌人的这一阴谋，彭德怀提前发动了抗美援朝第五次战役。原计划是将敌人赶回北纬37度线附近，但因准备不充分，没有达到预期目的。战役从4月22日开始到6月10日结束，历时50天，粉碎了敌人拟将战线推进到北纬39度平壤、元山一线的企图，歼敌82000余人，我志愿军也付出了很大代价。
第五次战役后，战争双方在“三八线”附近呈胶着状态。1951年5月，美国国家安全委员会向杜鲁门建议争取谈判解决朝鲜问题。5月31日，美国国务院顾问、前美驻苏大使凯南拜会苏联驻联合国代表马立克，表示美国政府准备与中国讨论结束朝鲜战争问题，愿意恢复战前状态。随后，美国国务卿艾奇逊、联合国秘书长赖伊都先后表达了美国政府的这一意向。毛泽东立即把握住这一机会，6月3日，同专程来京的金日成举行会谈；10日，又派高岗同金日成去莫斯科和斯大林会商；接着，派李克农离京赴朝主持停战谈判。谈判于1951年7月10日开始到1953年7月27日双方在停战协定上签字，前后历时两年有余。
谈判桌上是第二个战场。这期间朝鲜战场上处于谈谈打打、打打谈谈的局面，两个战场同样复杂、激烈。前几天，我找到了李克农1952年7月12日从开城写给我的一封信，信中描述了当时谈判代表团工作和生活情况的一斑。信中说：“1951年7月3日由北京出发总人数包括武装警卫人员不上60人，经过一年的战斗时间，现在扩大到640人。这个部队在毛主席和总理直接领导下，是经得起战斗的，同时经过一年来的考验多数同志也进步了，面貌也改变了，特别是对那些在美国得了学士、博士学位的同志们，实际教育意义更大。”来信还说：“敌人在中立区、会场区的特务活动，比以前更活跃，前天我们又在会场区设伏捕获敌特一名，附上敌人利用小孩在会场区做特务活动照片两张，以便你们了解此间对特务斗争的复杂情况。”
朝鲜战场上停战的时候，我志愿军的装备已得到较大改善，实力有了较大增强。对此，彭德怀曾惋惜地说，当时我方战场组织刚告就绪，没有充分利用它给敌以重大打击就宣告停战了，实在可惜。他还曾设想，把我退出的地区作为缓冲区交给中立国家监督，那样会更好些。而在敌人方面，当时的“联合国军”总司令克拉克在签字后哀叹，他是美国历史上第一个在没有取得胜利的停战协定上签字的司令官。