第二次战役后，“联合国军”退至“三八线”以南，企图凭借防线组织防御，整顿部队，等待援兵，再次北犯。为不给敌人喘息机会，扩大战果，志愿军乘胜发起第三次战役，突破“三八线”，向汉城进军。

1950年12月31日晚，中朝联军在漫天飞雪中向“联合国军”发起新年攻势。志愿军和朝鲜人民军分东、中、西三路，同时突破“联合国军”的“三八线”防线。西线，志愿军第39军116师作为主攻部队，在师长汪洋指挥下，迅速突破敌人前沿阵地，向纵深推进。该师采用穿插迂回战术，绕过敌人坚固据点，直插敌后，打乱敌人防御部署。经过一夜激战，116师成功突破“三八线”，向汉城方向迅猛推进。

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中线，志愿军第42军、第66军等部也突破防线，与敌人激战。东线，朝鲜人民军第2、第5军团突破防线后，向洪川方向进攻，有力配合西线和中线作战。

“联合国军”在中朝联军猛攻下，防线崩溃，向南逃窜。1951年1月4日，志愿军第50军、第39军等部解放汉城。随后，中朝联军追击敌人，将战线推进到三七线附近。第三次战役历时8天，中朝联军歼敌1.9万余人，突破“联合国军”的“三八线”防线，解放汉城及“三八线”以南广大地区，打击了敌人士气，扩大了中朝联军政治影响。

此时，志愿军连续作战，部队疲惫，后勤补给困难，急需休整补充。“联合国军”在败退中迅速调整部署，利用机械化优势，在三七线附近重新组织防御。中朝联军停止追击，转入休整，第三次战役结束。

“联合国军”不甘心失败，于1951年1月25日发起大规模反攻，企图重占汉城，将中朝联军赶回“三八线”以北。中朝联军采取“西顶东放”方针，西线坚守防御，东线实施反击。

西线，志愿军第38军、第50军等部在汉江南岸展开艰苦防御作战。美军集中兵力，在飞机、坦克和火炮掩护下，向志愿军阵地疯狂进攻。志愿军战士依托简陋工事，顽强抵抗。第38军某连战士曹玉海，在战友牺牲、自己重伤情况下，仍坚持战斗，最终壮烈牺牲。在汉江南岸防御作战中，志愿军坚守一个多月，为东线反击赢得时间。

东线，志愿军第42军、第66军等部于2月11日发起横城反击战。志愿军采取迂回包围战术，将南朝鲜军第8师等部包围在横城以北。经过两天激战，歼灭南朝鲜军第8师3个多团，重创美军第2师，共歼敌1.2万余人，取得横城反击战胜利。随后，志愿军向砥平里发起攻击，因对敌情判断失误、攻击兵力分散及敌人防御坚固，未能攻克。但此次作战迫使“联合国军”停止进攻，转入防御。

第四次战役历时87天，中朝联军歼敌7.8万余人，虽付出较大代价，但成功阻止“联合国军”进攻，稳定战局。

经前四次战役，“联合国军”意识到难以速胜，被迫转入战略防御。中朝联军也因连续作战，部队减员、物资供应困难，双方在“三八线”附近形成战略相持。

美国考虑通过谈判结束战争。1951年7月10日，朝鲜停战谈判在开城举行，后移至板门店。然而，美国毫无诚意，企图以军事压力迫使中朝让步，边谈边打成为这一阶段战争特点。