12月底，李奇微按麥克阿瑟12月8日命令確定的防線，部署了“一條從臨津江到三八線的總戰線”。
在這條橫貫朝鮮半島250公裏、縱深60公裏的總戰線上設置了兩道基本防線。第一道防線(a線)西起臨津江口，東經汶山沿三八線到東海岸的襄陽。
第二道防線(b線)西起高陽，東經議政府、加平、自隱裏至東海岸的冬德裏。為了加大防禦縱深，在第二道防線以南至北緯37°線，還準備了c、d、e三道機動防線，由南朝鮮抽調大批民工進行構築。
c線從永登浦沿漢江南岸，經楊平、橫城至江陵；d線從水原經利川、原州、平昌至三陟；e線沿37°線，從平澤經忠州至三陟。
為了防止被迫退迴到釜山，李奇微還指定工兵出身的加裏森·戴維森準將在靠近釜山地區設置一道防線，即原來的洛東江防線，以保衛釜山港地區。戴維森動用了成千上萬的南朝鮮勞工，構築了大部分塹壕體係、炮兵陣地，還設置了大量的鐵絲網。
此時，“聯合國軍”在朝鮮的地麵部隊總兵力為36.5萬人，其中作戰兵力25萬人，美第10軍亦統歸美第8集團軍指揮。
除遭受嚴重打擊的美第10軍(包含美陸戰第1師、美第7師和美第3師)位於大丘、釜山地區，美第2師主力位於37°線以北的堤川休整外，在第一線展開8個南朝鮮師，其餘美英軍主力均置於議政府至漢城以南的機動位置。
聯合國軍的部署特點是，置南朝鮮軍於第一線，美英軍於第二線，並大部分集結於漢城周圍及漢江南北地區之交通要道上，在全線擺出了一個能守則守，不能守則隨時準備按計劃撤退的姿態。
麵對此時戰敗的局麵，美國調兵遣將，重新部署準備反擊。為了爭取時間，美國操控了十三個國家，擬定了一個以三八線為界停戰談判的提案，即十三國提案；又操控聯合國通過了成立朝鮮停戰三人委員會的決議，向世界人民大肆鼓吹先停戰後談判的論調。
美國政府這種虛偽的做法早被遠在燕京的偉人洞穿，他和老總商量，為占據政治和軍事上的主動，決定放棄原先製定的休整計劃，立即組織部隊發起攻勢，突破三八線向南進軍，徹底粉碎美國政府的陰謀。
老總認為：“敵人的目的是暫時擺脫與我軍的近距離接觸，搶占既設陣地，整頓隊伍，以利再戰。我們這次進攻，條件並不是很好，我軍也十分疲勞，而且後勤補給存在很大困難。因此，我考慮，這次進攻一定要慎重，要適可而止。政治上要求我們突破三八線，我們就堅決突破三八線，突破了三八線就是勝利，不能打得太遠了，追得太深了。否則，我們困難將會加重，對我們不利。總之，突破三八線之後，我們要采取穩進方針，看情況適可而止。”
為打破敵“先停火、後談判”之陰謀，燕京指示，“目前美英各國正要求我軍停止於三八線以北，以利其整軍再戰。因此，我軍必須越過三八線。如到三八線以北即停止，將給政治上以很大的不利”。
據此，誌願軍決定發起第三次戰役，力求在漢城、原州、平昌線以北地區更多地殲滅敵軍，特別是盡量多地殲滅南朝鮮軍隊，迫使美軍撤兵。
在部署軍事行動的同時，華國政府在外交上同美國展開了針鋒相對的鬥爭，特派代表在聯合國控訴了美國的侵略罪行，舟公發表聲明譴責聯合國非法成立“朝鮮停戰三人委員會”等。
為贏得主動，誌願軍編兩個縱隊。右縱隊由第38、第39、第40、第50軍為主編成，計劃殲滅南朝鮮第6、第1師，而後向議政府方向發展進攻。左縱隊，由第42、第66軍為主編成，計劃消滅南朝鮮第2師及第5師一部。
人民軍第1軍團負責配合右縱隊殲敵並保障其翼側安全，人民軍第5軍團主力、第2軍團一部，向洪川方向進攻，配合左縱隊作戰。
人民軍第2軍團主力、第5軍團一部，於戰役發起前在洪川東南隱蔽集結，配合正麵進攻。1950年12月31日17時，向敵人發起全麵攻勢。
戰役打響後，右縱隊第39軍在炮兵2個團支援下，快速突破臨津江。至次日拂曉前，該軍第116師突入敵防禦縱深約10公裏。
第117師猛打猛衝，連續衝破敵軍數次攔阻，於1月1日5時前突入敵防禦縱深約15公裏，切斷了南朝鮮第1師與第6師的聯係，並截殲妄圖逃竄的南朝鮮第6師600餘人。我第50軍在第39軍第115師有力策應下順利渡江，占領了紫長裏地區。
第40軍第118師麵對南朝鮮第6師主力，逐山逐堡展開爭奪，至1月1日拂曉，迫敵南逃。
第119師在炮兵約1個團支援下，突破臨津江，直插敵防禦縱深約12公裏，切斷了南朝鮮第6師的退路。但由於對態勢掌握不夠清楚，阻隔部隊撤迴，導致包圍圈出現了缺口。
我第38軍第113師強突敵陣，殲滅敵1個連。擔任迂迴任務的第114師快速插進敵陣，在1日12時突入敵防禦縱深達20公裏，但在與第39軍第117師圍殲南朝鮮第6師時，卻不料其大部已經從缺口處逃離。
隨即該軍主力向位於抱川之敵發起攻擊，迫使敵向南逃竄。戰至2日，右縱隊推進到坡州裏、仙岩裏、七峰山及議政府東北一線。
左縱隊我第42軍在炮兵1個團支援下，強行突破敵陣地。第124師承擔迂迴任務，不顧敵機威脅、環境險阻，持續實施進攻，沿途擊破敵多次阻擊後，前出至敵縱深地域並切斷南朝鮮第2師退路，而後繼續向上南淙、下南淙等地區突擊。
於2日會同第66軍主力將該地區之敵全部殲滅，包括南朝鮮第2師第31團1個營、第32團2個營，南朝鮮第5師第36團1個營，以及炮兵1個營。戰至2日，推進至加平、春川一線。
在誌願軍連續突擊下，敵第一道防線土崩瓦解，右翼完全暴露。自1月2日起，敵開始全線後撤。
麵對敵軍僅留下一部兵力掩護、其餘大部撤離的狀況，誌願軍決定乘勝擴大戰果，由右縱隊第38、第39、第40軍從不同方向對議政府發起攻勢，第50軍依據態勢發展向漢城進擊，追殲潰敗之敵。
1月3日，我軍轉入追擊作戰。追擊途中，我第50軍在擊退美軍1個營的抵抗後，在高陽以南截斷英軍第29旅退路，經3小時激戰，全殲該旅1個營和1個坦克團直屬中隊，繳獲、擊毀坦克31輛。
第39軍於議政府西南與美軍第24師1個團遭遇，殲敵一部，後續又殲滅英軍第29旅2個連。第38、第40軍於議政府東南擊潰美軍第24師1個團。左縱隊第42軍主力和第66軍一部，向洪川方向追擊。麵對我軍的強大軍事壓力，敵驚慌失措，於3日15時起從漢城南撤。我軍抓住戰機、乘勝追殲。
4日，我第39軍與第50軍各1個師及人民軍第1軍團一部奪控漢城。5日，第50軍及人民軍第1軍團渡過漢江，發現敵軍撤離後，便繼續向南追擊。左縱隊第42、第66軍先後占領洪川及其西南的陽德院裏，後第42軍還殲滅美軍第2師一部。
戰至1月8日，我軍已將敵驅趕至北緯37°線附近。然而，我軍未能在追擊過程中大量殲滅敵有生力量，隨即研判這極可能是敵有計劃的主動後撤，一旦我深入敵縱深，敵可能重演仁川登陸，在側後方登陸，對我形成前後夾擊之勢。據此，我軍果斷停止追擊，第三次戰役遂告結束。
此次戰役，是我軍對固守之敵實施的大規模攻勢行動，經過數晝夜的連續奮戰，誌願軍突破了三八線，向南推進了約80至110公裏，殲敵1.9萬餘人，解放了漢城，粉碎了敵假停火、真反攻的企圖，從軍事上和政治上打破了敵人的陰謀。
此次戰役加深了敵人的悲觀情緒，極大提升了華國在國際上的影響力，將戰線推進到三七線附近地區。作戰中，我軍傷亡八千五百餘人，敵我傷對比為1：0.43。
在這條橫貫朝鮮半島250公裏、縱深60公裏的總戰線上設置了兩道基本防線。第一道防線(a線)西起臨津江口，東經汶山沿三八線到東海岸的襄陽。
第二道防線(b線)西起高陽，東經議政府、加平、自隱裏至東海岸的冬德裏。為了加大防禦縱深，在第二道防線以南至北緯37°線，還準備了c、d、e三道機動防線，由南朝鮮抽調大批民工進行構築。
c線從永登浦沿漢江南岸，經楊平、橫城至江陵；d線從水原經利川、原州、平昌至三陟；e線沿37°線，從平澤經忠州至三陟。
為了防止被迫退迴到釜山，李奇微還指定工兵出身的加裏森·戴維森準將在靠近釜山地區設置一道防線，即原來的洛東江防線，以保衛釜山港地區。戴維森動用了成千上萬的南朝鮮勞工，構築了大部分塹壕體係、炮兵陣地，還設置了大量的鐵絲網。
此時，“聯合國軍”在朝鮮的地麵部隊總兵力為36.5萬人，其中作戰兵力25萬人，美第10軍亦統歸美第8集團軍指揮。
除遭受嚴重打擊的美第10軍(包含美陸戰第1師、美第7師和美第3師)位於大丘、釜山地區，美第2師主力位於37°線以北的堤川休整外，在第一線展開8個南朝鮮師，其餘美英軍主力均置於議政府至漢城以南的機動位置。
聯合國軍的部署特點是，置南朝鮮軍於第一線，美英軍於第二線，並大部分集結於漢城周圍及漢江南北地區之交通要道上，在全線擺出了一個能守則守，不能守則隨時準備按計劃撤退的姿態。
麵對此時戰敗的局麵，美國調兵遣將，重新部署準備反擊。為了爭取時間，美國操控了十三個國家，擬定了一個以三八線為界停戰談判的提案，即十三國提案；又操控聯合國通過了成立朝鮮停戰三人委員會的決議，向世界人民大肆鼓吹先停戰後談判的論調。
美國政府這種虛偽的做法早被遠在燕京的偉人洞穿，他和老總商量，為占據政治和軍事上的主動，決定放棄原先製定的休整計劃，立即組織部隊發起攻勢，突破三八線向南進軍，徹底粉碎美國政府的陰謀。
老總認為：“敵人的目的是暫時擺脫與我軍的近距離接觸，搶占既設陣地，整頓隊伍，以利再戰。我們這次進攻，條件並不是很好，我軍也十分疲勞，而且後勤補給存在很大困難。因此，我考慮，這次進攻一定要慎重，要適可而止。政治上要求我們突破三八線，我們就堅決突破三八線，突破了三八線就是勝利，不能打得太遠了，追得太深了。否則，我們困難將會加重，對我們不利。總之，突破三八線之後，我們要采取穩進方針，看情況適可而止。”
為打破敵“先停火、後談判”之陰謀，燕京指示，“目前美英各國正要求我軍停止於三八線以北，以利其整軍再戰。因此，我軍必須越過三八線。如到三八線以北即停止，將給政治上以很大的不利”。
據此，誌願軍決定發起第三次戰役，力求在漢城、原州、平昌線以北地區更多地殲滅敵軍，特別是盡量多地殲滅南朝鮮軍隊，迫使美軍撤兵。
在部署軍事行動的同時，華國政府在外交上同美國展開了針鋒相對的鬥爭，特派代表在聯合國控訴了美國的侵略罪行，舟公發表聲明譴責聯合國非法成立“朝鮮停戰三人委員會”等。
為贏得主動，誌願軍編兩個縱隊。右縱隊由第38、第39、第40、第50軍為主編成，計劃殲滅南朝鮮第6、第1師，而後向議政府方向發展進攻。左縱隊，由第42、第66軍為主編成，計劃消滅南朝鮮第2師及第5師一部。
人民軍第1軍團負責配合右縱隊殲敵並保障其翼側安全，人民軍第5軍團主力、第2軍團一部，向洪川方向進攻，配合左縱隊作戰。
人民軍第2軍團主力、第5軍團一部，於戰役發起前在洪川東南隱蔽集結，配合正麵進攻。1950年12月31日17時，向敵人發起全麵攻勢。
戰役打響後，右縱隊第39軍在炮兵2個團支援下，快速突破臨津江。至次日拂曉前，該軍第116師突入敵防禦縱深約10公裏。
第117師猛打猛衝，連續衝破敵軍數次攔阻，於1月1日5時前突入敵防禦縱深約15公裏，切斷了南朝鮮第1師與第6師的聯係，並截殲妄圖逃竄的南朝鮮第6師600餘人。我第50軍在第39軍第115師有力策應下順利渡江，占領了紫長裏地區。
第40軍第118師麵對南朝鮮第6師主力，逐山逐堡展開爭奪，至1月1日拂曉，迫敵南逃。
第119師在炮兵約1個團支援下，突破臨津江，直插敵防禦縱深約12公裏，切斷了南朝鮮第6師的退路。但由於對態勢掌握不夠清楚，阻隔部隊撤迴，導致包圍圈出現了缺口。
我第38軍第113師強突敵陣，殲滅敵1個連。擔任迂迴任務的第114師快速插進敵陣，在1日12時突入敵防禦縱深達20公裏，但在與第39軍第117師圍殲南朝鮮第6師時，卻不料其大部已經從缺口處逃離。
隨即該軍主力向位於抱川之敵發起攻擊，迫使敵向南逃竄。戰至2日，右縱隊推進到坡州裏、仙岩裏、七峰山及議政府東北一線。
左縱隊我第42軍在炮兵1個團支援下，強行突破敵陣地。第124師承擔迂迴任務，不顧敵機威脅、環境險阻，持續實施進攻，沿途擊破敵多次阻擊後，前出至敵縱深地域並切斷南朝鮮第2師退路，而後繼續向上南淙、下南淙等地區突擊。
於2日會同第66軍主力將該地區之敵全部殲滅，包括南朝鮮第2師第31團1個營、第32團2個營，南朝鮮第5師第36團1個營，以及炮兵1個營。戰至2日，推進至加平、春川一線。
在誌願軍連續突擊下，敵第一道防線土崩瓦解，右翼完全暴露。自1月2日起，敵開始全線後撤。
麵對敵軍僅留下一部兵力掩護、其餘大部撤離的狀況，誌願軍決定乘勝擴大戰果，由右縱隊第38、第39、第40軍從不同方向對議政府發起攻勢，第50軍依據態勢發展向漢城進擊，追殲潰敗之敵。
1月3日，我軍轉入追擊作戰。追擊途中，我第50軍在擊退美軍1個營的抵抗後，在高陽以南截斷英軍第29旅退路，經3小時激戰，全殲該旅1個營和1個坦克團直屬中隊，繳獲、擊毀坦克31輛。
第39軍於議政府西南與美軍第24師1個團遭遇，殲敵一部，後續又殲滅英軍第29旅2個連。第38、第40軍於議政府東南擊潰美軍第24師1個團。左縱隊第42軍主力和第66軍一部，向洪川方向追擊。麵對我軍的強大軍事壓力，敵驚慌失措，於3日15時起從漢城南撤。我軍抓住戰機、乘勝追殲。
4日，我第39軍與第50軍各1個師及人民軍第1軍團一部奪控漢城。5日，第50軍及人民軍第1軍團渡過漢江，發現敵軍撤離後，便繼續向南追擊。左縱隊第42、第66軍先後占領洪川及其西南的陽德院裏，後第42軍還殲滅美軍第2師一部。
戰至1月8日，我軍已將敵驅趕至北緯37°線附近。然而，我軍未能在追擊過程中大量殲滅敵有生力量，隨即研判這極可能是敵有計劃的主動後撤，一旦我深入敵縱深，敵可能重演仁川登陸，在側後方登陸，對我形成前後夾擊之勢。據此，我軍果斷停止追擊，第三次戰役遂告結束。
此次戰役，是我軍對固守之敵實施的大規模攻勢行動，經過數晝夜的連續奮戰，誌願軍突破了三八線，向南推進了約80至110公裏，殲敵1.9萬餘人，解放了漢城，粉碎了敵假停火、真反攻的企圖，從軍事上和政治上打破了敵人的陰謀。
此次戰役加深了敵人的悲觀情緒，極大提升了華國在國際上的影響力，將戰線推進到三七線附近地區。作戰中，我軍傷亡八千五百餘人，敵我傷對比為1：0.43。