第二次战役后，麦克阿瑟遭到美国各界严厉的抨击，要求解除他“联合国军”总司令的职务，说麦克阿瑟“发动的‘圣诞节总攻势’几乎把我们引向灾难的深渊”。“联合国军遭遇的是第一流的军队。令人吃惊的是，中国人纪律严明，指挥有方”。麦克阿瑟于是在12月2日给杜鲁门的电报中说：“我们面对的是一场完全新型的战争”, “以往那么成功地用来指导作战的战略思想，现在继续用来对付这样的强国就不行了。”此后，为挽回败局，麦克阿瑟向美国参谋长联席会议提出对中国进行报复的四项措施：( 1 ）封锁中国海岸；( 2 ）轰炸中国的军事设施；( 3 ）派台湾国民党军入朝作战；( 4 ）要台湾国民党军对中国大陆进行牵制性进攻。美国参谋长联席会议认为他的建议叮可能会导致一场世界大规模的全面战争”，没有表态。而杜鲁门又暗示可能要在朝鲜战场使用原子弹。这一信号吓坏了英国，英国首相艾德礼匆忙飞往华盛顿同杜鲁门会谈，双方才一致表示“决不自动撤出朝鲜，但也不同意扩大战争范围”。这一态度与彭德怀早己估计的“朝鲜战争仍是长期的，艰苦的，甚至是残酷的，在其主力部队未被消灭之前，决不会轻易撤出朝鲜半岛”是相符的。
在中国人民志愿军进行两次战役期间，朝鲜人民军重新组建了一、二、三、五等4个军团的部队。为使中朝两军在对敌作战中能互相配合，协调一致，彭德怀曾向毛泽东和朝方提出中朝两军应实行统一领导和统一指挥的问题。12月初，金日成应邀赴北京与毛泽东商谈，双方决定组成中朝两军联合司令部，推荐彭德怀担任中朝联军司令员兼政治委员，朝方由金雄担任副司令员，朴一禹担任副政委。
12月7日，金日成来到大榆洞，和彭德怀就朝、中军队组成联合司令部后的具体问题进行协商，根据毛、金会谈的原则，双方商定：“中朝联军总司令部下辖中国人民志愿军司令部及朝鲜人民军司令部，但中朝联军总司令部不对外公布。凡属作战范围及前线一切联合行动，均以中朝联军总司令部的名义下达之。”自此，中朝联军总司令部正式成立。
12月8日，志愿军党委对第三次战役如何打和何时打的问题进行讨论，大家认为敌人虽遭两次战役打击，但主力未削弱；敌人为防止中朝军队再次反击，除在“三八线”部署了约20万兵力外，还每天出动飞机对志愿军后方供应线轮番轰炸。志愿军大部车辆被毁，物资被烧，几十万人的粮弹被服靠夜间突击抢运，不能按时供应。而志愿军经过两次战役后，减员数万人，急需体整补充。为此，彭德怀于当日致电毛泽东，建议志愿军在“三八线”以北数十里休整补充，让敌人占“三八线”，以便明春再战时歼灭敌主力。彭德怀在电报中又提出此役结束后，共需补充新兵6.5万人，请高岗加紧抽调；特别强调目前部队粮弹油盐鞋均不能按时补充，为争取对敌下一次决战的胜利，要求中央军委速派空军掩护后方运输线。
这时，印度等亚非13个国家向联合国安理会提出了一项建议：“先在‘三八线，停战，然后举行有关各大国参加的会议，就和平解决朝鲜问题进行协商。”12月13日，毛泽东复电彭德怀说：“目前美、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’作战。”‘此次南进希望在开城南北地区即离汉城不远的一带地区，寻歼几部分敌人。”12月14日，联合国大会通过成立“朝鲜停战三人委员会”的决议。但彭德怀为执行毛泽东南进的指示，不予敌人以喘息时机，放弃了原来休整过冬的设想，经志司党委讨论，于12月15日电告金日成和毛泽东说：“决以6个军向开城、涟川、金化线攻击前进，求得在汉城、原州线以北歼灭一部美伪军，得手后再看情况而定。”
志愿军两次大胜，朝鲜党政军民情绪与中国人民志愿军的影响大为提高，但速胜情绪也在各方面生长。有的人认为美军将速逃，要志愿军速进。彭德怀于12月19日致电毛泽东反映了这一情况，再次表明自己的态度说：“据我看，朝鲜战争仍是相当长期的，又艰苦的。敌人由进攻转入防御，战线缩短，兵力集中，纵深加强，对联合兵种作战有利。美伪军士气虽较前低落，现在还有26万多兵力。从政治上看，敌人马上放弃朝鲜，对其阵营是很不利。如再被消灭两三个师，可能退守几个桥头阵地，也不会马上全部撤出朝鲜。我军目前仍应采取稳进，对部队不要太伤元气。现己开始战役接敌运动，此役除运输困难，气候寒冷，相当疲劳外，特别是由山地运动战转为对阵地攻坚战，还没有进行很好的普遍的教育。因为上述种种原因，我8日给你的电报中，提到暂不越‘三八线’作战，以便充分准备来年开春再战。得你13日复电后，现已遵示越‘三八线’作战。如无意外变故，打败仗是不会有的，但攻击受阻或胜利不大的可能性是存在的。为避免意外过失，拟集中四个军（五十、六十六军在两翼牵制敌人）首先歼灭伪一师后，相机打伪六师，如发展顺利，再打春川之伪二军团，如不顺畅，即适时收兵。能否控制‘二八线’，亦须看当时具体情况再行决定。上述各项妥否盼示。”
彭德怀将上述问题报告毛泽东，目的是使中央进一步了解当时朝鲜战场敌我双方客观情况和可能出现的问题。21日，毛泽东复电同意彭德怀的看法和作战部署，说：“你对敌情估计是正确的，必须作长期打算，速胜的观点是有害的。在打法上完全同意你的意见，感到不顺利，则适时收兵休整再战。”
新上任的美第八集团军司令李奇微接受第二次战役中被歼的教训，在兵力部署上的特点是：将战斗力较弱的南朝鲜军8个师和土耳其旅部署在第一线，把战斗力较强的美、英军部署在第二线，集结在汉城周围及汉江沿岸的交通要道上。在东西全线摆出了能守则守，不能守则随时按计划撤退的姿态。
根据毛泽东继续南进的指示，彭德怀将志愿军6个军组成左、右两路突击纵队，在朝鲜人民军3个军团的协同下突击进攻，两路在兵力上均占敌人优势。
经过周密讨论，志愿军决定利用1951年新年敌军度假疏忽之际，于12月31日17时发起进攻。12月28日，彭德怀致电毛泽东并高岗说：“前电示此役后，‘三八线’仍让敌占领。但须看此役结果。如能歼灭伪军两三个师及美军一部，估计敌人不仅不要‘三八线’，还有可能放弃汉城，退守南汉江。此役在部队中动员，强调越过‘三八线’的政治意义（实际上政治意义不大），而占领‘三八线’后，又不要‘三八线’还须作一番解释。我意既已占领了，如无其他特别原因就占领之，不去威胁汉城，让敌占领。如敌象平壤一样，自动放弃，汉城即令人民军一军团前往占领，志愿军撤至‘三八线’以北，就粮整补等。妥否盼示。”翌日，毛泽东复电同意彭德怀的方案。
1950年12月31日，在朝鲜北部成川郡君子里一个大矿洞内，中朝联军指挥部格外紧张忙碌，但不是为了迎接1951年元旦，而是为迎接一场几十万大军投入的进攻战役。时针越来越向攻击时间接近，彭德怀低着头，在矿洞内来回踱步，第三次战役的作战部署是否得当，将在今夜见分晓。
下午5时，沿“三八线”两侧风雪交加，白茫茫一片。突然，炮声震天动地，中朝联军30多万人分左、右两个纵队，向西起临津江，沿汉滩川及“三八线”一带的叮联合国军”阵地发起猛烈进攻。正在平壤附近举行新年招待会的金日成得报，当即举杯祝贺战役胜利，与会者报以热烈的掌声，并向中国驻朝使节敬酒祝贺。
这天夜里，风狂雪大，气温骤降。各军根据彭德怀预定的攻击目标英勇突击。战士冒着敌人的猛烈炮火，徒涉冰水迅速突破临津江，登上滩头，抢占了“联合国军”的炮兵阵地，敌人顿时慌乱一团，不战而逃。这次战役是中朝联军向预有防御准备的“联合国军”发起的大规模进攻战役。自除夕之夜至元旦拂晓前，右纵队的三十九军突入敌人防御纵深10公里，四十军突入12公里。三十八军至元旦中午突入敌人纵深20公里。左纵队四十二军、六十六军攻占了敌方阵地。中、朝军队大胆穿插分割，英勇突击，将敌军整个防御部署打乱。
在中朝联军的攻势下，“联合国军”10几万人拥挤在汉江北岸背水作战，深怕再陷于被歼之命运，1月2日开始全线撤退。彭德怀当即命令左右两路纵队乘胜转入追击。消灭了拚命南逃的南朝鲜一、二、五、六师和美军二十四、二十五师，英军二十九旅等零散士兵各一部。“联合国军”前线指挥官、美国第八集团军司令李奇微在战后回忆当年向南溃退的情景时写道：“元旦上午，我驱车由北面出了汉城，结果见到了一幅令人沮丧的景象。南朝鲜士兵乘着一辆辆卡车，正川流不息的向南涌去。他们没有秩序，没有武器，没有领导，完全是在全面败退。有些士兵是依靠步行，或乘着各种征用的车辆逃到这里来的。他们只有一个念头― 逃呀！逃得离中国军队愈远愈好。他们扔掉了自己的步枪和手枪。丢弃了所有的火炮、迫击炮、机枪以及数人操作的武器。我知道要想制止这些吓破了胆的士兵大规模溃逃，那是枉费心机的。”
1976年南朝鲜出版的《韩国战争史》，则对美、英等国军队的溃退也作了淋漓尽致的描述：“联合国军士兵扔掉所有重炮、机关枪等支援火器，爬上卡车向南疾驶。车上的人挤得简直连个小孩子都不能再挤上去了，甚至携带步枪的人也寥寥无几，他们只有一个念头，把那可怕的敌人甩掉几英里！拚命跑呀！控制不住的‘后退狂’迅速蔓延开了。”
在中朝联军的猛烈进攻下，美、英、土耳其军和南朝鲜军队经过两天败退，溃不成军。1月3日，“联合国军”前线指挥官李奇微通知南朝鲜总统李承晚，说他已下令于当天下午3时开始自汉城撤退，并由他自己亲临汉江大桥桥头指挥。李奇微竟给第八集团军官兵下令：如果南朝鲜难民争夺汉江大桥，影响其撤退，就开枪射击。
1月3日下午，志愿军司令部的情报参谋跑来向彭德怀报告说：“刚才收听到美国无线电报话机里传出要撤离汉城的对话。”彭德怀立即下令向汉城进击。1月4日中午，志愿军三十九军一一六师和人民军一军团占领了汉城。为防止敌人向汉城反攻，彭德怀决定一鼓作气，逼退汉江南岸之敌，下令以人民军一个师留守汉城，主力于5日渡过汉江。志愿军五十军一部控制汉江桥，主力抢占了汉江南岸滩头阵地。这时，彭德怀考虑不能追击过远，即电令中朝军队如敌继续南逃，则尾追至“三七线”即停止待命。中朝联军于1月5日到8日相继攻占金浦，横城、原州、骊州、水原、利川和西海岸的仁川港，一直将“联合国军”和南朝鲜军驱赶到“三七线”附近。
这次战役，中朝军队共9个军30多万人，冒着狂风大雪和零下20摄氏度的严寒，在冰天雪地里，忍饥挨饿，连续8昼夜迅猛追击，向南推进了80至110公里，但因敌军主力不战而退，只歼敌人1.9万余人。彭德怀分析，敌人显然是企图诱我南下，造成中朝军队后方供应困难，侧翼暴露，以便其利用海空优势，重演仁川登陆。乃于1951年1月7日夜断然命令左、右纵队各军自8日起停止追击，占领有利地形，严阵以待，防敌反扑。第三次战役即告结束。
中朝联军一连串胜利的消息，由新华社即刻广播到全世界，中朝两国人民走上街头，热烈欢呼。1月5日，《人民日报》第一版头条大字标题：《朝中军队发起新攻势，光复汉城向南急进》，同时，刊载通讯《午夜的欢声——记北京大学同学庆祝汉城光复大游行》和社论《祝汉城光复》。1月6日，《人民日报》第一版大字标题：《中国各民主党派致电朝鲜人民：“祝贺光复汉城大胜利！”》，同时刊登大幅照片《北京市学生、工人、妇女庆祝汉城光复》；1月7日，又以头条大字新闻刊登《 全国各地人民欢庆汉城解放》的报导。
身为中朝联军统帅的彭德怀，从收音机里听到国内人民欢庆胜利的消息后，却感到寝食不安，又喜又愁。祖国人民为志愿军取得的胜利表现如此高兴，这对志愿军指战员是极大的鼓舞；但他感到国内对志愿军在朝鲜前线面临的严重困难并不了解。他对政治部的工作人员说：“新华社不应该这样大张旗鼓地宣传报导光复汉城，因为敌我力量并没起明显的变化，这次我军虽然前进了一百多公里，但未能大量歼灭敌主力部队，我们是一军（陆军）对敌人三军（陆、海、空军），敌人的武器装备占绝对优势，放弃汉城不过是应急措施，肯定还会反攻的，目前我军并无力防守，如果敌军重占汉城，我们可怎么向祖国人民交代呢？”
以后，彭德怀在“文化大革命”时期被关押受审中，曾就当时他为什么决定中朝联军停止追击一事写道：“我军将敌驱至‘三七线’后，敌改变计划，从日本和国内抽调新生兵力共约4个师，又从欧洲抽调老兵补充部队，集结在洛东江的预备防线。从东线战场方面撤退之兵力，亦集结于洛东江。总之，敌军一切一切都在诱我南进攻坚，待我军疲劳，消耗殆尽，再从正面反击，从侧翼登陆截击，以断我军归路。志愿军入朝后，不到三个月，连续经过三次大战役，又值严冬，全无空军掩护，也未曾休息一天，疲劳之甚可以想见。战斗的和非战斗的减员已接近部队的半数，急需体整补充，准备再战。”
彭德怀果断地命令部队停止追击，已被历史证明是正确的战略决策，但当时苏联和朝鲜方面都有人表示不解。他们看到敌人南逃，认为只要中朝联军继续向南追击，美军很快就会退出朝鲜半岛。而此时，在中朝两军内部轻敌速胜的观点也在迅速增长，一些人议论：“美军要速逃，美军要撤退”、“由北向南，一推就完”、“快打，快胜，快回国”等等。
针对这种局势，金日成于1月10回到君子里中朝联军司令部，与彭德怀讨论中朝联军继续向南追击问题。经彭德怀详细汇报志愿军面临的困难后，金日成和彭德怀取得了一致的意见。双方决定军队就地休整补充，召开中朝两军高千会总结经验以利再战。苏联驻朝鲜大使得知会谈的结果，向斯大林报告，说彭德怀“右倾保守，按兵不动，不乘胜追击”。与此同时，毛泽东同意彭德怀的意见并将朝鲜战场的情况电告了斯大林。斯大林回电苏联驻朝大使说：“彭德怀是久经考验的统帅，今后一切听彭的指挥。”并称赞彭德怀是当代天才的军事家。
李奇微诱中朝联军南进不成，即改变了作战方案，急速进行调整部署，将其在第一线地面部队增至25万余人。为了查明中朝联军阵地情况，李奇微乘飞机在上空进行侦察，发现中朝联军前进到“三七线”后，运输线延长，物资补给更加困难，认为：“中共部队已不能有效地进行作战，短时间内不可能发动进攻”；“中国士兵虽有英勇顽强的斗志，但他们致命的弱点是：没有飞机、没有重炮、没有后方供应的保障，每个士兵随身携带的干粮，只能吃五至七天，不可能连续作战。”于是他积极准备重夺汉城。1月25日，彭德怀在君子里中朝联军司令部主持了中朝两军高干会议。金日成出席了会议。中共中央特派东北人民政府主席、东北军区司令员兼政委高岗由国内赶来参加。这是中朝两军高级干部第一次相聚交流经验的会议，也是庆祝一、二、三次战役胜利的大会。会议正进行中，“联合国军”完成反攻部署。于1月25日开始，在大量空军的支援下，以步兵、坦克组成的多路纵队，对中朝联军阵地进行大规模反攻。1月27日，中朝联军被迫停止休整，立即转入防御作战。 “联合国军”发起大规模攻势的目的是重占汉城，将中朝联军再压回“三八线”以北。其部署是将主力部队集中于西线，以汉城为主要突击方向，东线为辅助突击方向。在前三次战役中，美军和南朝鲜军常采用混合编队。中国人民志愿军针对敌人部署，首先从南朝鲜军阵地实施突破，然后穿插分割，迂回包围，大获胜利。李奇微接受教训，这时改变了部署，用美军打头阵，将兵力分为四路，采取齐头并进，稳扎稳打，各路互相支援的战术，以避免被歼的危险。
李奇微发现志愿军经过三次大的战役尚未休整补充，粮弹供应又十分困难，即采用地面部队始终同我军保持接触的战术，以其猛烈的炮兵、坦克和空军的火力杀伤志愿军前线部队；同时，对志愿军后方运输线实施猛烈的轰炸。
彭德怀对敌人的反攻并不感到意外，但敌人由溃退到反攻，如此之快，却出乎他的意料。联司领导对形势进行分析后，经与朝方商议，认为中朝联军极需休整补充，以利再战。根据1951年1月11日“联合国朝鲜停火三人委员会”的决议，彭德怀于1月27日，密电毛泽东说：“为增加帝国主义内部矛盾，可否播发中、朝两军拥护限期停战，人民军与志愿军从鸟山、太平里、丹邱里线北撤15至30公里的消息，如同意请由北京播出。”翌日，毛泽东复电彭德怀，主张向南打下去。复电要求：“我军必须立即发起第四次战役，以歼灭两万至三万美李军，占领大田、安东之线以北区域为目标”；“中朝两军北撤15至30公里，发表有限期停战的新闻是不适宜的，敌人正愿我军撤退一段地区，封锁汉川，然后停战”；“我军没有补兵，弹药也不足，确有很大困难。但集中主力向原州打下去，歼灭几部分美军及四、五个南朝鲜师的力量还是有的。请你在高干会上进行说明”彭德怀收到毛泽东复电，当即决定中朝联军停止体整。 “联合国军”于1月25日发动反攻后，美军两个军、英军两个旅及土耳其、希腊和南朝鲜军沿南汉江西岸至水原线，拼命向北猛攻。彭德怀将中朝联军组成东、西、中3个集团，与敌进行第四次战役。29日，中朝两军高干会提前结束，彭德怀在会上做了紧急作战动员，决定采取“西顶东放”的作战方针，即西线在汉江两岸顶住敌人，东线将敌人有计划放进来，在运动中寻机歼敌。经请示毛泽东，复电说：“部署甚好，预祝胜利。”经8天的激烈战斗，志愿军坚守了主要阵地，但敌人攻势猛烈，志愿军五十军、三十八军伤亡较重，从而被迫节节抗击，阻止敌人前进。中国人民志愿军在新年前夕举行的第三次战役，由于前进过远，供应线延长，再加冰雪路滑，气候严寒，敌机轰炸，致物资供应极为困难，造成志愿军在第四次战役中的被动局面。鉴于此种情况，彭德怀于1月31日给毛泽东发电说：“第三次战役即带着若干勉强性（疲劳），此次战役则带有更大勉强性。如土力出击受阻，朝鲜战局有暂时转入被动的可能。”
中朝联军凭少量小型火炮和步兵武器抗击敌人的猛烈进攻，彭德怀接连不断地收到前线发来的告急电报和电话。他十分焦急，致电中央军委请速调第十九兵团入朝，并希尽快设法解决志愿军的后方供应和空中掩护问题。
2月4日，金日成来联司与彭德怀会谈，了解中朝联军的防御作战情况和下一步计划。彭德怀详细汇报情况，听取了金日成的意见。经过商谈，金日成对他目前力争停止敌人前进、并从各方面加紧准备、仍作长期打算的方针，表示完全同意。
西线“联合国军”在占领志愿军第一线阵地后，继续猛烈进攻。中朝联军奋勇抗击。此时，因敌机猛烈轰炸，汉江开始解冻，为避免背水作战，彭德怀于2月7日命令人民军第一军团和志愿军五十军主力撤至汉江北岸组织防御，三十八军仍留汉江南岸掩护主力向横城地区集结，并保障东线部队的侧翼安全。2月8日，“联合国军”向汉江逼近。10日，占领了仁川港，以数师兵力猛攻三十八军阵地，战斗空前激烈，在敌炮火猛烈轰击下，三十八军指战员既无坚固工事依托，又无炮火支援，仍前仆后继，不畏牺牲，守住了阵地，大量杀伤了敌人。
在东线，“联合国军”于1月31日发起进攻，彭德怀电令邓华指挥的东集团主力于5、6两日相继出动，向洪川以南地域迅速开进。这时，“联合国军”被志愿军阻止在砥平里和横城以北地区，形成突出态势，造成志愿军从其侧面反击的有利战机。彭德怀遂决定对横城和砥平里地区之敌实施反击。关于攻击目标，他在征求邓华、韩先楚意见后，原拟围歼砥平里之敌。但随即得知砥平里之敌兵力集中，战斗力较强，且已构筑了工事，不易迅速分割歼灭。考虑到如一昼夜不能解决战斗，则利川及原州附近的敌军可能来援；如两昼夜还不能解决战斗，则水原方向之美军，亦可东援，这样就会打成消耗仗；志愿军将处于极为不利境况。因此，联司迅速改变部署，决以志愿军理个军和人民军两个军团先攻横城地区战斗力较弱的南朝鲜军五、八两个师。
2月11日晚，志愿军邓华集团和人民军金雄集团共7个军，根据彭德怀的命令，对横城附近之敌开始战役反击。经过两夜一天的激烈战斗，围歼了向北猛进的敌人，狠狠地打击了敌军进犯的气焰。美军第八集团军司令李奇微回忆道：“2月11日夜间，共产党发动了反攻。在中共军队进攻面前，美二师遭受重大损失，尤其是火炮的损失更为严重。这些损失是由于南朝鲜第八师仓惶撤退造成的，该师在敌人的一次夜间进攻面前彻底崩溃，实际上是全军覆没。”这次反击作战于13日晨结束，邓、金集团密切配合，共歼敌1.2万余人（其中俘敌7800余人），使向该区进攻的美军和南朝鲜军被迫撤退。只有西面砥平里之敌仍在原地未动。中朝联军的猛烈反击震惊了麦克阿瑟。13日，麦克阿瑟乘飞机亲临朝鲜战场观察，当天返回东京后，承认美军的新冒险惨败。横城反击后，为扩大战果，阻止敌军的攻势，彭德怀决定以机动兵力于13日晚向砥平里之敌发起攻击。但这一次攻击对敌情判断有误，实际上，该地“联合国军”兵力较估计的多，且已构筑了较强的防御工事，而此役志愿军火炮少，虽参战部队建制多，但协同动作差，以致当晚未能解决战斗。14日，集结在西线的美、英军开始东援，当晚又未解决战斗。15日，美、英军大批援军开始逼近砥平里，彭德怀认为要大量歼灭敌人或迫使敌人全线退却，可能性已很小，为避免处于被动，遂于2月15日命令部队停止进攻。自16日开始，部队先后撤出战斗向北转移，转入防御。至此，第四次战役的第一阶段结束。
中朝联军经过23天作战，歼敌2.2万余人，但志愿军部队伤亡亦较大；而此时，应补充的新兵和增调入朝的后续部队第三兵团、第十九兵团尚未赶到。彭德怀考虑，如“联合国军”乘势突入“三八线”及其以北地区，中朝联军将陷入十分不利的地位。经过联司领导人讨论，决定中、朝联军全线转入运动防御，采取“积极防御，纵深设防，利用良好地形节节抗击，迟滞和杀伤敌人，赢得时间，改善交通运输，屯积作战物资，以待后续作战部队到来进行战役反击”的作战方针。彭德怀在作战指挥上灵活多变，根据敌我态势，指示各军：“在敌优势火力下，不应死守一地不动，也不应在一个阵地堆很多部队，以避免过多过早消耗自己的力量为原则。各部可依据情况，分成数个梯队，轮番阻击，换班整补。只要我们能争取两个月的时间，后续部队即可赶到前线，新兵亦可补充到部队，作战物资也可屯积起来。第二番兵团即可接替第一番兵团连续作战。”
1951年2月16日，志愿军三十八军和五十军，根据彭德怀的指示相继向北撤至汉江北岸。李奇微立即令美、英军主力，向中朝联军阵地步步进逼，攻势更加猛烈。针对敌人进攻的特点，彭德怀指示各军应采取的防御战术是：“采取重点设防，梯次配置，扼守要点，以点制面的部署。各级实行兵力前轻后重，火力前重后轻的原则。”彭德怀将多数兵力分散隐蔽在阵地两侧或稍后。在火炮配置上则适当靠前，有层次的分散隐蔽配置，以避开敌人攻击前的炮火袭击。当敌人步兵、坦克发起攻击时，志愿军各种火炮突然集中开火，支援部队反冲击，与敌人展开近战。这样，既可有效地减少自己的伤亡，又可发挥志愿军近战的特长。在争取到一定时间，或已无力防守时，即利用夜间主动转移阵地。彭德怀这一战术，减少了中朝联军的伤亡；同时，使敌人每前进1公里都要付出惨重的代价。连敌人也不得不承认：“中共志愿军是一支纪律严明，训练有素，指挥有方，堪称为世界上第一流的军队。”但是，中朝联军第一线兵团连续作战，大量减员，而第止番轮换兵团还远在鸭绿江边。前线部队衣鞋粮弹均未补充，很多战士赤脚作战，这使彭德怀对当前的严重局势和中朝军队的处境愈加焦虑和担忧，他深感战场情况用电报说不清楚，16日急电毛泽东要求回京向中央面报，毛泽东复电同意。彭德怀即于18日先赴平壤附近，与金日成商谈拟定了中朝联军在“三八线”以南的作战方案：西线汉城方面，力争沿汉江北岸抗击时间越久越好；东线横城方面，集中三十九军、四十军力争在运动中歼灭南朝鲜两个师和美军一部，以推迟敌人进到“三八线”的时间。19日，彭德怀回志司电邓华速回志司主持全面工作。
2月20日晚，彭德怀带两名参谋、两名警卫员，乘两辆吉普车，冒着敌机的轰炸，连夜向北疾驰，21日晨到达安东，聂荣臻派来的专机已在机场等候。11时，飞机降落在沈阳机场加油，时任东北军区司令部办公室主任的郭瑞乐在回忆录中写道：“我们看到彭总很疲劳，请他在机场休息室休息一会，他说：‘我不累，你们别管我！’他不进休息室，既不吃饭，也不喝水，就一直站在飞机旁，等着飞机加完油，即刻向北京飞去了。”
21日午后，彭德怀在西郊机场下了飞机就乘车赶赴中南海，不巧毛泽东当时住在西郊玉泉山静明园，彭德怀又命车折返西郊。当他急急进入静明园时，毛泽东正睡午觉。秘书和警卫人员劝他等一等，彭德怀面色严肃，大声说：“我有急事要向毛主席汇报！”他不顾警卫的拦阻，推门而进，将毛泽东唤醒。
毛泽东事先已收到彭德怀要回京的电报。立即起床，一面穿衣，一面打趣说：“只有你老彭才会在人家睡觉的时候闯进来提意见。”毛泽东得知他还没吃午饭，说：“你必须先吃饭，你若不吃饭，我就不听汇报。”彭德怀只好到食堂匆匆吃了几口，回来即向毛泽东详细汇报，说明从敌我现实情况分析，朝鲜战争不能速胜。彭德怀说：“我军现在是出国作战，与在国内作战突出的不同之处：一是兵员补充不能取之于敌。抓到的敌人俘虏不能补充自己，也不能就地动员朝鲜青年参加志愿军。现志愿军伤亡很大，得不到及时补充，战斗力已越来越削弱。二是敌机轰炸，道路、车辆毁坏严重，物资得不到及时补充。即使缴获了敌人的装备，因缺乏技术人员，不能使用，几乎全部被敌机炸毁。三是部队越过‘三八线’作战，正是严冬季节，朝鲜东西两面是海，寒风袭人，东线更冷，战士衣服单薄破烂，有的连鞋袜都没有，大量生病和冻伤。四是几十万志愿军既得不到充足的粮食供应，更得不到新鲜蔬菜，断炊现象经常发生，指战员靠的是一把炒面，一把雪坚持作战，营养不良，体力下降，许多人得夜盲症，严重影响作战行动。我们现在一无空军掩护，二无足够的高射火炮，运输车辆大部分被中途炸毁。第一次和第二次战役，一个多月共损失汽车780多辆，真正能够送到前方的物资粮食为数很少。我们如不能有效地保障后方的交通运输，是无法坚持长期作战的。”毛泽东听后沉思了一会说：“中央对志愿军在朝鲜前线的困难处境很关心，根据现在的情况来看，朝鲜战争能速胜则速胜，不能速胜则缓胜，不要急于求成。”彭德怀在追述这次谈话时写道：“这次主席给了抗美援朝战争一个明确的指示，即‘能速胜则速胜，不能速胜则缓胜’。这就有了一个机动而又明确的方针。”
最后，彭德怀十分不安地向毛泽东详细汇报了毛岸英在朝鲜牺牲的经过和处理情况。在毛岸英牺牲的当天（1950年11月25日），志司即将这次不幸事件电告中央军委。其时，毛泽东身体欠佳，又忙于国内外重大事务，周恩来把电报暂时搁下，直到1951年1月2日，才将毛岸英牺牲的电报送给毛泽东和江青看，并附一信安慰说：“毛岸英的牺牲是光荣的，当时因你们都在感冒中，未将此电送阅……胜利之后，当在大榆洞立纪念志愿军烈士墓碑。”
彭德怀十分内疚地对毛泽东说：“主席，你让岸英随我到朝鲜前线后，他工作很积极。可我对你和恩来几次督促志司注意防空的指示不重视，致岸英和高参谋不幸牺牲，我应承担责任，我和志司的同志们至今还很悲痛。”毛泽东沉默一阵慢慢抬起头来，反而宽慰彭德怀：“打仗总是要死人的嘛！中国人民志愿军已经献出了那么多指战员的生命，他们的牺牲是光荣的。岸英是一个普通的战士，不要因为是我的儿子，就当成一件大事。现在美国已使用在朝鲜战场上的各型飞机约一千多架，你们千万不能疏忽大意，要采取一切措施保证司令部的安全。”
2月24日，根据毛泽东的指示，中央军委副主席周恩来和彭德怀一起召集军委各总部负责人在总参谋部开会，讨论各大军区部队轮番入朝和如何保障志愿军物资供应的问题。彭德怀介绍了志愿军面临的严重困难，要求国内各方面想办法大力支援前线。讨论到具体问题时，有些人强调国内机构刚刚建立，许多问题难以落实。彭德怀本来就为前线的供应不继焦急不满，会前苏联军事顾问表示不能派空军掩护志愿军的交通线，更使彭德怀十分失望。此时，会议又出现这个情况，彭德怀十分恼怒，猛地站起来，把桌子一拍，说：“这也困难，那也困难，就是你们爱国，难道志愿军不爱国！你们去前线看看，战士吃的什么，穿的什么！伤亡那么多人，他们为谁牺牲？现在既没有飞机，火炮又很少，后方运输根本没保障，粮食服装运不上去，又饿死、冻死了很多战士，难道国内就不能克服困难吗片”彭德怀火冒三丈，会场气氛骤然紧张，主持会议的周恩来，虽大度维持，会议还是不欢而散。会后，周恩来连续主持召开中央军委会议，对加强志愿军第一线兵力和后方供应做出了一系列重要决定，即凡国内的部队，都要轮番到朝鲜作战。一则替换第一线部队休整，二则锻炼部队，提高全军现代化作战指挥能力。会议决定，将刚改装的空军和高射炮部队调到朝鲜北部掩护后方交通线，再向苏联购买几十个师的武器装备；调用国内各种物资大力支援前线，由几个大城市为志愿军制作炒面和罐头食品；号召国内各行各业增产节约和捐款购买飞机大炮。这些措施对减少志愿军的困难，增强战斗力起了巨大作用。
彭德怀在北京停留的一周内，除和毛泽东、周恩来商谈决策重大问题外，又和军委各总部负责人研究具体实施办法。日夜奔跑，十分紧张，本来已经消瘦的身体更显疲劳消瘦，毛泽东见状要他在北京体息几天，因前线正紧张，彭德怀仍于3月1日匆忙离京。当天，毛泽东致电斯大林，说明志愿军在朝鲜作战中所面临的严重困难，要求苏联方面尽快派空军掩护中朝军队后方运输线。3月5日，斯大林复电同意派2个驱逐机师和3个高炮师参战，并同意给中国增供6000辆汽车的合同。
彭德怀离京后，从3月1日至3日，周恩来夜以继日地召开一系列会议，将所定各项措施迅速部署完毕。3月3日即将具体落实方案电告彭德怀和高岗。彭德怀对周恩来惊人的工作精神和工作效率大为佩服。
彭德怀在沈阳和安东两地与军政领导人研究了落实中央各项决定的措施后，于3月5日晚乘吉普车返回朝鲜。这时，正值入朝的第十九兵团后续部队也沿公路向南开进，人车拥挤，凡遇阻塞时，彭德怀就命令司机在路旁停住，让部队的车开过去，说：“部队是开到前线打仗的，应让他们先过去，以便争取时间休息和作进攻准备。”他坐的车沿途挤来挤去，走走停停，随行人员万分担心，彭德怀则借机观察。他看到后勤各分部在沿途建立了许多对空监视哨，发现敌机就打信号弹，汽车立即闭灯躲避，大大减少了损失。彭德怀高兴地说：“我们没有飞机，这个土办法也能减少很多损失呀！有了困难就要发动群众想办法，这也是我军历史上好传统咯。”
3月9日晨，彭德怀回到上甘岭志愿军司令部，还没有来得及脱大衣吃早饭，邓华、朴一禹、解方等就来报告：敌人已自7日开始，集中20多万兵力在几百架飞机支援下向联军阵地发动了代号为“撕裂者行动”的攻势，并于当日晚分两路强渡汉江。彭德怀一手拿着警卫员送来的烤馒头干，一手端着杯茶水，站在地图前，边听边看。他分析，这次“联合国军”是企图从中朝联军阵地中间突破，迂回包围，重占汉城，进而向“三八线”以北推进。当即决定各军于3月10日后撤，缩短供应线，等待后续部队，吸引敌军深入进至中朝联军歼敌的有利地区，然后对敌实施战役反击。 “联合国军”全线进攻后，中朝军队几十万人物资粮弹供应仍未得到改善。3月11日，彭德怀急电周恩来说：“敌7日又开始全线进攻，为缩短我军防线，决定放弃汉城，采取运动防御，保持有生力量。现运输情况未改善，部队仍经常断炊吃不上饭，就地筹粮亦不可能。而敌方空军又有增加，我空军如不能相应掩护交通运输，此种困难不会减少，反而会增加，这将影响有决定性的下一战役。”
3月14日，中朝联军被迫撤出汉城。朝鲜人民军中一时思想波动，彭德怀特邀朴一禹谈话说：“我在一月间曾对金首相谈过，我们不要计较一城一地的得失，关键是能消灭敌人的主力部队，只有消灭了敌人主力，才能得到城市，请你转告各军团领导，让他们对人民军指战员作些宣传解释工作，以稳定情绪。”中朝联军撤出汉城，彭德怀预料在国内也会产生震动，他身为中朝联军司令员，同样是坐卧难宁，有时发牢骚说：“我们要是有足够的飞机大炮，有可靠的物资供应，能把汉城丢掉吗？可现在我们没有那样的装备呀！我早就估计到汉城是保不住的。”他在指挥所里反背着手，走来走去，想来想去，最后掏出钢笔，伏在炮弹箱子上，起草了一份绝密电报发往中央：“周总理、陈（云）、薄（一波）并高（岗）：为便利消灭敌人，缩短供应线，我军已于14日撤出汉城。如敌继续前进，拟逐步诱敌进至‘三八线’以北，此一行动可能引起国内市场波动，请注意。彭德怀，3月16日9时。”
3月中旬，“联合国军”猛烈北进，彭德怀指示各军暂时避免与敌大打，以待后续部队到后进行反击。同时，按原定方案命令新入朝的第十九兵团所属3个军在南川店、兔山地区集结；第三兵团的3个军向伊川、新溪地区集结；原在朝鲜休整补充的第九兵团3个军向金化、平康地区开进。彭德怀要求各兵团各军必须于4月10日前到达指定地区待机歼敌。
这时，中央军委增调的野战炮2个师，反坦克炮2个师、火箭炮1个师、高射炮4个师、坦克团及后续补充兵员工2万人先后入朝。 “联合国军”重占汉城后，采取所谓“磁性战术”——依靠机械化部队紧随中朝军队之后保持接触，以猛烈火力进行杀伤，逐步向北推进。彭德怀根据敌人进攻的特点，在给中朝联军各军的命令中强调指出：“要在宽大正面上采取重点设防，梯次配置，按预定计划依托每一防御阵地节节阻击杀伤敌人，使敌人每前进一公里，必须付出很大的代价。”美国后来出版的《韩战决策》一书中，谈到志愿军这种节节防御的战术时写道：“第八集团军的一些军官们认为，中国军队在防御方面比广为人知的进攻方面干得更出色一些。他们很善于隐蔽和伪装，一个整师的部队能在荒野中从我们的眼皮下消失了……撤退时他们经常在盟军主要前进路线的两侧山上留下一些小股袭击部队，这些部队常常在夜间出来捣乱，有时还给人以反攻的错觉。”
在敌人的强大攻势下，中朝联军节节阻击至3月底，战线逐步转移到“三八线”以北。“联合国军”前进到西起汉江口，沿临津江经“三八线”以北向东直至襄阳一线。历时两个多月，“联合国军”由“三七线”推进到“三八线”附近，伤亡7.8万余人，被歼人数超过了前三个战役的总和，平均每天前进1.3公里，付出900多人的代价。这时，彭德怀命令中朝联军坚守阵地，不准再后退一步，以争取时间，掩护第二番兵团向进攻地区集结，准备对敌发起反击。
由于中朝联军顽强阻击，“联合国军”在难于前进的情况下，对于是否再次越过“三八线”以及用何种方式结束朝鲜战争，又发生争论。英、法等国政府，认为此时正是结束朝鲜战争的有利时机，提出在“三八线”建立“事实上的停火”，谋求同中、朝两国通过谈判，结束朝鲜战争。在美国也有些人认为，美国的战略应是“欧洲第一，亚洲第二”。美国总统杜鲁门即主张在朝鲜战场上如恢复到战前双方的态势，可以通过谈判来解决问题。但“联合国军”总司令麦克阿瑟自恃拥有绝对优势的武器装备和海、空军支援，坚持以武力建立“统一的朝鲜”。3月24日，麦克阿瑟发表了一项违背五角大楼原则的声明，声称：“如果联合国决定改变把战争限制在朝鲜境内而作的容忍的努力，把我们的军事行动扩展到中国的沿海地区与内陆基地的话，肯定会使赤色中国在军事上面临迅速崩溃的危险。”麦克阿瑟还主张派遣空军轰炸中国沿海城市和内陆工业基地，鼓励台湾蒋介石反攻大陆。杜鲁门听到麦克阿瑟的声明后大为生气。美国第八集团军司令李奇微在其回忆中写道：“麦克阿瑟将军擅自发表的声明，拆了总统的台，激怒了我们的盟友。”4月6日，杜鲁门紧急召集白宫高级顾问马歇尔、艾奇逊等对麦克阿瑟的声明进行了深刻讨论。马歇尔等一致向总统建议，立刻解除麦克阿瑟的职务。杜鲁门以后写道：“麦克阿瑟这一举动逼得我无可选择，我再也无法容忍他的抗上行为了。我认识到我本人除了解除这位国家的最高战场指挥官外，没有别的选择……”1951年4月11日凌晨1点钟，白宫新闻秘书肖特召见白宫记者团，散发了杜鲁门总统致麦克阿瑟一份非同寻常的文件：“我以总统和美军最高统帅名义，非常遗憾地免去阁下驻日盟军总司令、联合国军总司令、远东美军总司令、远东美国陆军总司令的职务。请阁下将指挥权移交给李奇微将军并立即生效。”这则消息首先通过无线电广播于11日中午到达东京，并以特急新闻在全日本广播。“这时麦克阿瑟正在他的官邸招待客人共进午餐。他的秘书锡德·赫夫满脸愁容，眼泪汪汪带着这撤职的消息来到餐厅门口，立即将这不幸的消息告诉了麦克阿瑟的妻子，她然后走在餐桌旁轻轻拍了拍她丈夫的肩膀，俯下身子悄悄的将这灾难性的消息告诉了她的丈夫，麦克阿瑟的面部表情一下子呆滞了，他象石雕一样地沉默。随后，赫夫亲自拿着正式命令送给他的将军”。“麦克阿瑟接过命令，立刻目瞪口呆无言可谈”。这个在第二次世界大战中身任高级统帅，名扬天下的“常胜将军”，不得不灰溜溜地返回美国，结束了他50多年的军事生涯。彭德怀得知麦克阿瑟被撤职的消息后说：“麦克阿瑟年已70高龄，吃了败仗就发疯，早该回家养老了，看来杜鲁门要比他明智些。”
接任“联合国军”总司令的是原美国第八集团军司令李奇微，他已觉察到要从地面进攻占领朝鲜全部领土是十分困难的，妄想组织两栖作战部队企图在中朝军队侧后登陆，配合正面进攻，将战线推进到北纬二十九度线，在朝鲜半岛蜂腰部（东起元山西至新安州）建立新的防线。李奇微认为，这条横贯朝鲜半岛只有170公里的狭窄地带，进可攻，退可守，又是朝鲜北部的腹地，占领这一线后，在军事上和政治上均为有利。为实现这一企图，李奇微命令美空军机群对中朝军队后方交通线、物资囤积地和军队集结地域进行猛烈的轰炸；命令美海军对朝鲜北部东西海岸岛屿进行侦察袭扰和炮击；计划从日本及美国本土增调部队到达朝鲜。此时“联合国军”在朝鲜第一线地面作战部队（不含勤务部队）增加到约40万人。
新上任的“联合国军”总司令李奇微，是美国西点军校的优秀生，被美国人称为“战场上的风云人物”，他的企图虽比麦克阿瑟高明，但志愿军对他的计划也早有预料。在麦克阿瑟还未被撤职之前，彭德怀即在志愿军党委扩大会上分析说，敌人可能在我侧后登陆，我军应准备在4月下旬、最迟在5月上旬对“联合国军”实施大规模的反突击战役，打破敌人的登陆企图。彭德怀原设想继续诱敌深入一步，但敌人通过各种侦察手段发现志愿军第二番兵团已到达朝鲜前线，遂令各路进攻部队逐步停止攻击，迅速构筑工事，准备抗击中朝联军的进攻。至此，长达两个多月的第四次战役以“联合国军”停止攻击而告结束。这次战役中朝联军歼敌7.8万人，自身伤亡5.3万余。