1952年8月31日，彭德怀同金日成一起，作为斯大林的客人前往莫斯科访问，在克里姆林宫与斯大林举行了两次会谈，主要是交谈朝鲜战场和停战谈判的情况。在第二次会谈后，斯大林设宴招待金日成和彭德怀。深夜席散，人们陆续走出餐厅，在取衣帽时，斯大林走到彭德怀身旁，再次表示他对英雄的中国人民志愿军的慰问，并向彭德怀问起朝鲜战场上的战俘处理问题。斯大林对彭德怀根据我军一贯宽待俘虏政策处理朝鲜战场战俘的工作表示赞赏。彭德怀结束了与斯大林会谈后，于9月16日回到北京。
美方为挽回在朝鲜战场上的被动局面，于10月8日单方面中止己进行10个月的关于战俘问题的谈判。14日，美军在金化上甘岭地区发起进攻（代号“摊牌作战”) ，先后投入美军1个师和1个空降团，南朝鲜2个师，共6万余人，动用坦克170余辆，飞机3000多架次，火炮300多门，来势汹汹。
这时，彭德怀刚从莫斯科回到北京。他认为，志愿军一方面要坚决顶住新上任的“联合国军”总司令克拉克的“摊牌行动”, 还要提防克拉克重演“仁川登陆”这一招。于是，在10月底上甘岭战役激烈进行之际，彭德怀便离京赴辽东沿海，进行反敌登陆作战的准备。在安东召开了空军作战会议后，他冒着凛冽的寒风，沿着海岸，对东起鸭绿江江口，西至大连的地区进行勘察和部署防御，准备以这个地区作为中国军队从侧翼打击美军登陆的出发地。
回京后，彭德怀根据毛泽东关于“志愿军应从肯定敌人要从西海岸清川江至汉川江登陆这一基点出发，来确定行动方针”的指示，召开了一系列军事会议进行部署。之后，又于1953年初专程到华东地区实地勘察，布置东南沿海的防务。着重研究敌人可能来袭的登陆点和战略企图，确定沿海守备部队的作战任务和指导方针。
志愿军为粉碎“联合国军”的金化攻势（“摊牌行动”）而进行的异常激烈的上甘岭防御作战持续了43个昼夜，最后守住了原防御的阵地，共歼敌2.5万余人。此役志愿军的防空部队和地面部队共击落击伤敌机270余架，美军再不能仗恃其空中优势了。到1952年年末，志愿军既粉碎了以美国为首的“联合国军”的强大攻势，又对其在中朝联军侧后方实行登陆的阴谋保持了高度的戒备。
1953年春天的朝鲜战场，呈现出军事斗争和政治斗争紧密交织的复杂局面，美国急于从朝鲜战场脱身，又不甘心接受中朝方面提出的停战条件，总想用军事手段逼迫中朝就范。艾森豪威尔当选美国总统后，提出：“必须欣然接受（战争）要求我们所作的任何牺牲”。“要用军事的办法解决朝鲜战争”，并特别说明这个办法“不可避免地要影响到台湾”。
针对艾森豪威尔的挑战，2月7日，毛泽东在中国人民政治协商会议上郑重宣告：“我们是要和平的，但是，只要美帝国主义一天不放弃它那种蛮横无理的要求和扩大侵略的阴谋，中国人民的决心就是只有同朝鲜人民一起，一直战斗下去。”
这时，中朝军队已在“三八线”以北增修了坑道700多公里，构筑起钢铁防线，加修了重要的铁路、公路，储备了半年以上的食品和弹药，进行了一连串的反登陆军事演习。中国的华东地区也完成了防御作战的准备。
在中朝方面基本完成反登陆部署的情况下，“联合国军”总司令克拉克于2月22日给金日成和彭德怀发来进行交换病伤战俘、恢复谈判的信函。3月28日，金日成、彭德怀复函克拉克同意交换病伤战俘，并提出立即恢复停战谈判的建议，美方很快表示同意。4月26日，双方恢复了中断6个月之久的停战谈判。
1953年6月中旬，双方排除了停战进程中的唯一障碍——遣返战俘问题，并在停战的各项问题上也达成了协议。但是南朝鲜总统李承晚对于美国的急切停战极为不满，发表谈话说：“必要时我们要单独作战。”
6月15日，彭德怀电告邓华：“顷接我停战谈判代表团电话称：军事分界线基本上已达成协议，以今晚（6月15日）24时为准，在本晚24时以前，敌我双方攻占之阵地均为有效；在此以后（零时起）即作为16日计算，敌我所攻夺之阵地均属无效。我志愿军和朝鲜人民军为促进停战实现，应从明16日起，坚守阵地，不再主动出击。但须提高警惕，严阵以待，对于向我军阵地侵犯之任何敌军，坚决给以歼灭性打击，切不可有任何疏忽。”17日深夜，李承晚下令，以“就地释放”为名，将“联合国军”设在南朝鲜的第5、6、7、9号战俘营大门敞开，当即“逃出”战俘2.5万余人，并被编入南朝鲜的武装部队。彭德怀得知这一情况后，即到毛泽东处对停战签字前后可能会出现的问题及处置办法谈了他的意见。
6月19日，彭德怀由北京起程赴朝，准备参加停战签字。20日赶到平壤与金日成商谈，彭德怀主张再打一仗，以打击李承晚破坏停战谈判的行径。当晚22时，彭德怀给毛泽东去电建议推迟停战协定签字时间，准备“再给李军以严重打击，再消灭李军15000人”。毛泽东复电同意。这样，志愿军就组织了金城反击战。这次战役的主要指挥员是邓华。彭德怀把自己摆在“二线”, 着重掌握这个战役打到什么程度。他认为，对李承晚既要打痛他，使他无法北进；又要适可而止，给他留下点转弯的余地。这样就要打得猛，打得利索，不能拖泥带水。等他反应过来，调军反扑时，我已站稳脚跟，转入坚固的阵地。
参加这次战役的志愿军进攻部队共6个军（六十七、六十八、五十四、六十、二十一、二十四军），分为3个作战集团，彭德怀对各个集团选择的突破口异常关心，都一一详细过问。战役所需的物资输送工作，也是彭德怀最关心的一个问题。在朝鲜战场上，这是关系着部队前进速度和距离的严重问题，过去志愿军常常由于粮食、弹药跟不上进攻的部队，不得不把攻势停下来，被敌人称为“一礼拜攻势”。彭德怀一再和志司各部的领导人讨论：“能不能让部队进攻得更远一点呢？”
7月13日，志愿军司令部下达了发起攻击的命令。当晚天气阴沉，闷热异常，21时，志愿军的6个军在夜暗的掩护和1000多门火炮的支援下突然对当面之敌发起猛烈进攻，打得南朝鲜军晕头转向。志愿军即趁其混乱之际向南迅速进击。
彭德怀这次返回桧仓司令部，看到这里的情况有了很大变化。在原来他住过的大矿洞左边，挖了一个新的马蹄形坑道，在坑道两壁凿出4个石窟，石质坚硬不溢水，彭德怀就住在其中的一个石窟里。这时，他走出石窟，独自在坑道外边踱步，等待着前线的消息。他不去作战室，以免打扰邓华的指挥。处在这样的关键时刻，即使象他这样的沙场老帅，心绪也是难以平静的。一小时后，前线的报告到了：“全线突破。”各个作战集团向纵深发展的消息也一个接着一个传来。彭德怀才面露笑容，回到石窟里。战斗到16日，敌方援兵开始接近，志愿军迅速转入防御，至27日结束战役，共毙、伤、俘敌7.8万余人，收复土地178平方公里。李承晚深怕志愿军继续进攻，接受了停战协议。燃烧3年多的朝鲜战火终于熄灭了。这时，彭德怀方感“今日得宽余”，破例看了来前线慰问的京剧团演出的《三打祝家庄》，还亲自点了一出讽刺喜剧《葛麻》。当戏中聪明的小长工百般作弄想赖婚的地主，而终于和自己的心上人结成良缘时，彭德怀和大家一起使劲地鼓掌欢笑。自从1950年10月4日离开西安踏上硝烟弥漫的朝鲜战场以来，人们还是第一次看到他这么轻松，这么愉快。
停战签字的日子终于临近了。在一个阴雨连绵的下午，彭德怀乘吉普车离开桧仓，于午夜时分到达松岳山下开城的“来凤庄”——中朝谈判代表团的住地。这里同沿途各地相比，又是另一个世界。虽然远处的炮声清晰可闻，敌机掠空轰鸣而过，地面却是灯火通明，房舍整齐，道路平坦，绿树成行，一派宁静安谧的景象。
彭德怀住在一个青砖瓦房的小院里，第二天和谈判代表团负责人李克农等仔细分析情况后，研究了停战后的各种对策。他不能只庆幸停战的实现，他的注意力仍集中于签字的实际效果和停战的稳定性，以及签字以后可能出现的问题和相应的对策。7月27日，是正式签字的日子。签字的仪式与彭德怀离京时的设想不同。在北京准备的方案，是双方司令官都亲临板门店，同时在谈判桌的两端签字。但后来双方协商，改为先由双方首席谈判代表在板门店签字，然后再将协议文本分别送到各方司令官驻地，分别签字。这种改变，原因很多，考虑双方司令官的安全是原因之一。彭德怀准备离京的时候，细心的周恩来为保障彭德怀赴板门店签字的安全花费了不少精力，还亲自指示公安部挑选了4名身强力壮、经验丰富的局、处级干部担任现场保卫。周恩来考虑，历来停战多半是一方完全胜利，一方彻底失败，所谓签字，不过是履行投降与受降手续；而朝鲜的这次停战签字，双方都并非以失败者出现在会场上，谁能知道在这种情况下会发生什么事情。
27日上午10时，双方谈判首席代表——中朝方面是南日大将，美方是哈里逊中将，在板门店宽敞的会谈大厅里，签署了《朝鲜停战协定》和《关于停战协定的临时补充协议》两个文件。在板门店签字的虽然不是双方的司令官，但是签字的法定正式时间是从这时算起。板门店签字完毕，根据停战协定中“签字以后12小时正式生效”的条款，到27日22时，双方必须停止一切进攻和射击。
7月27日22时以前，双方的阵地不仅没有趋于沉寂，反而比平时射击了更多的炮火。就在这个双方激烈对射的下午，彭德怀和谈判代表团的成员杜平一起来到一个接近前沿的高地，观看了双方即将撤离的非军事地带。
7月28日上午9时30分，彭德怀在开城“来凤庄”中国人民志愿军谈判代表团的驻地，在中、朝、英3种文字的停战协定及其临时补充协议共18件文本上，签署了自己的名字。中方李克农、杜平、丁国钮、柴成文等将军参加了签字仪式。当彭德怀把笔放下，从椅子上站起来的时候，室内响起一片祝贺的掌声，将近3年用血和火进行的激烈较量就此宣告结束了。在这场战争中，“联合国军”除了原子武器以外，其他各种现代化武器都使用过了，但仍然无法取得胜利，反而以被中朝军队歼灭109万余人而告结束。从此，美国这个头号帝国主义的军事力量，在中国人民的眼里，再也不是不可战胜的了；而中国人民在世界人民的眼里，也不再是“东亚病夫”和无足轻重的了。此时此刻，彭德怀怎能不感慨万千！在大家的祝贺声中，彭德怀也抑制不住激动，双手高举，声如洪钟，宣告说：“在朝鲜的一切敌对行为已经完全停止，全世界人民所渴望的朝鲜停战已经实现了！' ' “这个战争证明，一个觉醒了的爱好自由的民族，当他们为了祖国的光荣和独立而奋起战斗的时候，是不可战胜的！”“中国人民志愿军和朝鲜人民军将不能忘记应有的警惕，并将以最大的决心为保障停战协定的彻底实现而坚决奋斗。”
停战协定签字后，“联合国军”总司令、美军上将克拉克却只得自嘲说：“我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。”
7月28日下午，是停战后的第二天，彭德怀来到开城附近志愿军四十六军的前线，由军长肖全夫陪同，观察最前沿双方对峙的阵地，吉普车穿过遍是弹坑和灰烬的山坡，沿着凹凸不平的土路缓缓前驶，举目四望，不见禾苗，不见野草，只有还在冒着浓烟的棵棵树桩。——它告诉人们，在24小时以前，这里还是炮火连天的战场。彭德怀一行的车子在一个山坳里停下来，大家徒步顺着山间小道向更前边的高地走去。这里，战士正在打扫战场，一路上，有许多担架从前沿阵地下来，这些年轻的战士板着疲劳的面孔，抬着因天气炎热己经腐臭的战友尸体。彭德怀不时拦住担架，翻开覆盖着的白布，注视战士的遗体，随行的医生从保健箱内取出一个口罩递给彭德怀，彭德怀一声斥责：“这是什么感情？”他的心正默默悼念着十几万在朝鲜战场上流尽鲜血的祖国儿女。他眼含泪花，深深地感叹说：“只差那么十几个小时，这些年青的战士就没有能够看到最后的胜利，我们活着的人应当永远怀念他们！”回头嘱咐随行干部：“一定要掩埋好，写上每个人的名字，通知他们的家属。”
彭德怀走到一个山头的反斜面，发现一处通向前沿的坑道，坑道口不到一人高，必须弯下腰来，才能避免碰到头部。他低着头准备钻进坑道，陪同的肖全夫军长急忙劝阻说：“里边尽是泥泞，什么也看不见。”彭德怀没有说话，径直往里走。进去不到5米，眼前已是一片黑暗，散发着潮湿的气息。这就是昨天还有战士守备的“地下长城”。大约摸索了10来分钟，前面一个更低矮的出口处射进一缕光线。向外望去，对面的山头就是敌人的阵地了。彭德怀钻出坑道，站在战壕里，眺望着敌人的防线。虽然双方完全停火已有10多个小时，这里显然不是久留之地。肖全夫急忙拉着他顺着战壕来到后边的山坡，随员拿来一张苫布，铺在地上，又提来几个军用水壶，大家坐了下米。这时，清理前沿阵地的一位营长来到彭德怀跟前，手里拿着一把筷子很拘谨地说：“这是战士在战斗间隙利用敌机残骸制做的铝骨筷子，大家希望送给党中央的首长。”彭德怀微笑着接过筷子说：“我一定替你们带到北京，转给毛主席和其他领导同志。”
太阳落山的时候，彭德怀一行回到军部，在一个拥挤的会议室里和该军的领导干部座谈。他说：“停战以后部队需要做的工作还很多，我们要敲好收场锣鼓，首先要把新阵地搞好，在阵地上要修建一些简易棚子，让战士搬出坑道来住。大家还须严阵以待，敌人如果来袭击，要坚决消灭，使他们不敢再来。”接着，他又谈到干部的生活问题，他说：“战争停下来了，个人的小算盘就会多了，要使大家认识到，只有国家大事解决好了，才能解决好个人的问题，我彭德怀已是五十多岁的人了，共产主义社会是肯定看不到的，我们所做的一切还不都是为了后代！”
7月31日晚上，朝鲜民主主义人民共和国最高人民会议常任委员会在平壤隆重举行授勋典礼，金科奉委员长再次把一枚朝鲜最高勋章——一级国旗勋章佩带在彭德怀胸前，并宣布授予彭德怀“朝鲜民主主义人民共和国英雄”的称号。8月1日，彭德怀乘汽车离开平壤返国。到沈阳后，他特地在东北地区逗留了几天，以便朝鲜前线有变，他可以马上返回。
8月10日下午，彭德怀在沈阳乘火车回京，车到锦西站，车站转来周恩来办公室的电话，说是总理让转告彭老总，请他在中途停车休息几小时，换乘专列，在明晨8点钟以后到达北京站。8月11日上午9时，彭德怀的专列缓缓进入北京站，只见站台上悬挂着红色大字横幅：“欢迎中国人民志愿军彭德怀司令员胜利归国大会”，两旁结着红色彩球。党和国家领导人邓小平、林伯渠、郭沫若及北京各界数千人在站台迎接，掌声和欢呼声响成一片。人们挥动手中的鲜花和彩旗，向彭德怀热情致意。1953年9月12日，中南海怀仁堂座无虚席，中央人民政府委员会在这里举行扩大会议，听取彭德怀《关于中国人民志愿军抗美援朝工作报告》，会议由毛泽东主席主持。彭德怀详细叙述了中国人民志愿军英勇作战的过程，和为保卫和平反抗侵略取得的伟大胜利。中朝人民军队从1950年6月25日到1953年7月27日共毙、伤、俘敌军109万人，其中美军39万余人。中国人民志愿军在作战中壮烈牺牲和光荣负伤的共36万多人。彭德怀在报告中最后说：“一个觉醒了的，敢于为祖国的光荣、独立和安全而奋起战斗的民族是不可战胜的！”彭德怀的报告不时被热烈的掌声打断。
彭德怀自1950年10月至1953年7月担任中国人民志愿军司令员兼政治委员，指挥百万中国人民志愿军同朝鲜人民军并肩作战，和以美国为首、由16个国家军队组成的“联合国军”进行了两年零九个月的艰苦卓绝的战争。在中共中央的领导和中国人民的支援下，彭德怀以他远大的战略眼光和卓越的军事才能，同志愿军其他领导人指挥中国人民志愿军为祖国赢得了崇高的威望，为祖国的社会主义建设赢得了安全和保证，为保卫世界和平作出了伟大的贡献，他不愧是无产阶级爱国主义和国际主义的伟大战士，不愧为中华民族的优秀儿子，不愧为百万志愿军英雄战士的英明统帅。