12月底，李奇微按麦克阿瑟12月8日命令确定的防线，部署了“一条从临津江到三八线的总战线”。
在这条横贯朝鲜半岛250公里、纵深60公里的总战线上设置了两道基本防线。第一道防线(A线)西起临津江口，东经汶山沿三八线到东海岸的襄阳。
第二道防线(b线)西起高阳，东经议政府、加平、自隐里至东海岸的冬德里。为了加大防御纵深，在第二道防线以南至北纬37°线，还准备了c、d、E三道机动防线，由南朝鲜抽调大批民工进行构筑。
c线从永登浦沿汉江南岸，经杨平、横城至江陵；d线从水原经利川、原州、平昌至三陟；E线沿37°线，从平泽经忠州至三陟。
为了防止被迫退回到釜山，李奇微还指定工兵出身的加里森·戴维森准将在靠近釜山地区设置一道防线，即原来的洛东江防线，以保卫釜山港地区。戴维森动用了成千上万的南朝鲜劳工，构筑了大部分堑壕体系、炮兵阵地，还设置了大量的铁丝网。
此时，“联合国军”在朝鲜的地面部队总兵力为36.5万人，其中作战兵力25万人，美第10军亦统归美第8集团军指挥。
除遭受严重打击的美第10军(包含美陆战第1师、美第7师和美第3师)位于大丘、釜山地区，美第2师主力位于37°线以北的堤川休整外，在第一线展开8个南朝鲜师，其余美英军主力均置于议政府至汉城以南的机动位置。
联合国军的部署特点是，置南朝鲜军于第一线，美英军于第二线，并大部分集结于汉城周围及汉江南北地区之交通要道上，在全线摆出了一个能守则守，不能守则随时准备按计划撤退的姿态。
面对此时战败的局面，美国调兵遣将，重新部署准备反击。为了争取时间，美国操控了十三个国家，拟定了一个以三八线为界停战谈判的提案，即十三国提案；又操控联合国通过了成立朝鲜停战三人委员会的决议，向世界人民大肆鼓吹先停战后谈判的论调。
美国政府这种虚伪的做法早被远在燕京的伟人洞穿，他和老总商量，为占据政治和军事上的主动，决定放弃原先制定的休整计划，立即组织部队发起攻势，突破三八线向南进军，彻底粉碎美国政府的阴谋。
老总认为：“敌人的目的是暂时摆脱与我军的近距离接触，抢占既设阵地，整顿队伍，以利再战。我们这次进攻，条件并不是很好，我军也十分疲劳，而且后勤补给存在很大困难。因此，我考虑，这次进攻一定要慎重，要适可而止。政治上要求我们突破三八线，我们就坚决突破三八线，突破了三八线就是胜利，不能打得太远了，追得太深了。否则，我们困难将会加重，对我们不利。总之，突破三八线之后，我们要采取稳进方针，看情况适可而止。”
为打破敌“先停火、后谈判”之阴谋，燕京指示，“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。如到三八线以北即停止，将给政治上以很大的不利”。
据此，志愿军决定发起第三次战役，力求在汉城、原州、平昌线以北地区更多地歼灭敌军，特别是尽量多地歼灭南朝鲜军队，迫使美军撤兵。
在部署军事行动的同时，华国政府在外交上同美国展开了针锋相对的斗争，特派代表在联合国控诉了美国的侵略罪行，舟公发表声明谴责联合国非法成立“朝鲜停战三人委员会”等。
为赢得主动，志愿军编两个纵队。右纵队由第38、第39、第40、第50军为主编成，计划歼灭南朝鲜第6、第1师，而后向议政府方向发展进攻。左纵队，由第42、第66军为主编成，计划消灭南朝鲜第2师及第5师一部。
人民军第1军团负责配合右纵队歼敌并保障其翼侧安全，人民军第5军团主力、第2军团一部，向洪川方向进攻，配合左纵队作战。
人民军第2军团主力、第5军团一部，于战役发起前在洪川东南隐蔽集结，配合正面进攻。1950年12月31日17时，向敌人发起全面攻势。
战役打响后，右纵队第39军在炮兵2个团支援下，快速突破临津江。至次日拂晓前，该军第116师突入敌防御纵深约10公里。
第117师猛打猛冲，连续冲破敌军数次拦阻，于1月1日5时前突入敌防御纵深约15公里，切断了南朝鲜第1师与第6师的联系，并截歼妄图逃窜的南朝鲜第6师600余人。我第50军在第39军第115师有力策应下顺利渡江，占领了紫长里地区。
第40军第118师面对南朝鲜第6师主力，逐山逐堡展开争夺，至1月1日拂晓，迫敌南逃。
第119师在炮兵约1个团支援下，突破临津江，直插敌防御纵深约12公里，切断了南朝鲜第6师的退路。但由于对态势掌握不够清楚，阻隔部队撤回，导致包围圈出现了缺口。
我第38军第113师强突敌阵，歼灭敌1个连。担任迂回任务的第114师快速插进敌阵，在1日12时突入敌防御纵深达20公里，但在与第39军第117师围歼南朝鲜第6师时，却不料其大部已经从缺口处逃离。
随即该军主力向位于抱川之敌发起攻击，迫使敌向南逃窜。战至2日，右纵队推进到坡州里、仙岩里、七峰山及议政府东北一线。
左纵队我第42军在炮兵1个团支援下，强行突破敌阵地。第124师承担迂回任务，不顾敌机威胁、环境险阻，持续实施进攻，沿途击破敌多次阻击后，前出至敌纵深地域并切断南朝鲜第2师退路，而后继续向上南淙、下南淙等地区突击。
于2日会同第66军主力将该地区之敌全部歼灭，包括南朝鲜第2师第31团1个营、第32团2个营，南朝鲜第5师第36团1个营，以及炮兵1个营。战至2日，推进至加平、春川一线。
在志愿军连续突击下，敌第一道防线土崩瓦解，右翼完全暴露。自1月2日起，敌开始全线后撤。
面对敌军仅留下一部兵力掩护、其余大部撤离的状况，志愿军决定乘胜扩大战果，由右纵队第38、第39、第40军从不同方向对议政府发起攻势，第50军依据态势发展向汉城进击，追歼溃败之敌。
1月3日，我军转入追击作战。追击途中，我第50军在击退美军1个营的抵抗后，在高阳以南截断英军第29旅退路，经3小时激战，全歼该旅1个营和1个坦克团直属中队，缴获、击毁坦克31辆。
第39军于议政府西南与美军第24师1个团遭遇，歼敌一部，后续又歼灭英军第29旅2个连。第38、第40军于议政府东南击溃美军第24师1个团。左纵队第42军主力和第66军一部，向洪川方向追击。面对我军的强大军事压力，敌惊慌失措，于3日15时起从汉城南撤。我军抓住战机、乘胜追歼。
4日，我第39军与第50军各1个师及人民军第1军团一部夺控汉城。5日，第50军及人民军第1军团渡过汉江，发现敌军撤离后，便继续向南追击。左纵队第42、第66军先后占领洪川及其西南的阳德院里，后第42军还歼灭美军第2师一部。
战至1月8日，我军已将敌驱赶至北纬37°线附近。然而，我军未能在追击过程中大量歼灭敌有生力量，随即研判这极可能是敌有计划的主动后撤，一旦我深入敌纵深，敌可能重演仁川登陆，在侧后方登陆，对我形成前后夹击之势。据此，我军果断停止追击，第三次战役遂告结束。
此次战役，是我军对固守之敌实施的大规模攻势行动，经过数昼夜的连续奋战，志愿军突破了三八线，向南推进了约80至110公里，歼敌1.9万余人，解放了汉城，粉碎了敌假停火、真反攻的企图，从军事上和政治上打破了敌人的阴谋。
此次战役加深了敌人的悲观情绪，极大提升了华国在国际上的影响力，将战线推进到三七线附近地区。作战中，我军伤亡八千五百余人，敌我伤对比为1：0.43。