同一天，周恩來、林彪前往蘇聯會見斯大林，商談有關蘇聯的軍事援助和對我誌願軍提供空中掩護問題。斯大林一方麵表示願意提供16個誌願空軍團給我誌願軍作空中掩護，一方麵又強調立即出動空軍掩護有困難，至少還需要等兩三個月才能準備好。由於蘇聯不能派空軍給我誌願軍空中掩護，周恩來不得不致電毛澤東再作定奪。由於出現這個波折，10月12日，毛澤東電彭德懷、高崗，指示誌願軍各部仍就原地進行訓練，不要出動，並請他們來京一談。彭、高到京後，13日，毛澤東再次召開中央政治局緊急會議，就出兵、不出兵問題展開複議。會上，毛澤東強調中朝唇齒相依，讓美軍進到鴨綠江邊與我對峙未必有利。會議經過反複討論，終於下了出兵的最後決心。隨即發電給周恩來：與高崗、彭德懷二同誌及其他政治局同誌商量結果，一致認為我軍還是出動到朝鮮為有利。在第一時期，可以專打偽軍，我軍對付偽軍是有把握的，可以在元山、平壤線以北大塊山區打開朝鮮的根據地，可以振奮朝鮮人民重組人民軍。兩個月後，蘇聯誌願空軍就可以到達。六個月後可以收到蘇聯給我們的火炮及坦克裝備，訓練完畢即可攻擊美軍。在第一時期，隻要能殲滅幾個偽軍的師團，朝鮮局勢即可起一個對我們有利的變化。我們采取上述積極政策，對中國、對朝鮮、對東方、對世界都極為有利；而我們不出兵，讓敵人壓至鴨綠江邊，國內、國際反動氣焰增高，則對各方都不利，首先是對東北更不利，整個東北邊防軍將被吸住，南滿電力將被控製。總之，我們認為應當參戰，必須參戰。參戰利益極大，不參戰損害極大。
美國將軍哀歎簽訂了曆史上第一個沒有取得勝利的停戰協定
10月19日，中國人民誌願軍的三個軍和三個炮兵師分三路渡過鴨綠江。為了隱蔽，部隊黃昏行動，拂曉停止。21日，“聯合國軍”攻占平壤，麥克阿瑟認為中國出兵的可能性極小，叫囂要在11月23日感恩節前占領全朝鮮。他根本不知道中國人民誌願軍幾天前已經渡過鴨綠江，正在預定地區布下口袋等著他。25日，北進的李偽軍1師、6師先頭部隊遭我誌願軍伏擊，被殲千餘人，揭開了抗美援朝的帷幕。從10月25日到11月5日，曆時10天的抗美援朝戰爭第一次戰役共殲滅“聯合國軍”15000餘人，打破了美軍不可戰勝的神話，穩定了朝鮮半島的戰局。
驕橫的麥克阿瑟吃了敗仗，仍然主觀地認為中國隻是派了少量部隊入朝以保衛自己的邊防，因此，他重新集結兵力，在海、空軍的支援下加快北進速度。11月24日，麥克阿瑟向全世界宣布，“聯合國軍”已開始發動總攻，在聖誕節前結束朝鮮戰爭。隨後，他又在廣播中要求他的部隊迅速打到鴨綠江，回家過聖誕節。我誌願軍采取邊打邊撤、誘敵深入、分割包圍、伺機殲滅的方針，從11月7日到12月24日，曆時40多天的抗美援朝第二次戰役，共殲敵36000餘人，收複了平壤和“三八線”以北的廣大地區。
第二次戰役中，11月25日，我誌願軍總部遭到美機轟炸，毛澤東的兒子毛岸英和另外一位名叫高瑞欣的同誌不幸犧牲。一個多月以後，1951年1月2日，周恩來才把彭德懷關於此事的電報寫信告訴毛澤東。周恩來的信和彭德懷的電報都不長，毛澤東卻看了很久。長歎了一聲後，他說，犧牲的成千上萬無法隻顧及此一人。事已過去，不必說了。毛澤東精神偉大，而實際的打擊則不小！這是沒有辦法的事，毛澤東一度有下鄉休息之意。
第二次戰役後，彭德懷建議我誌願軍暫時休整一段時間。12月27日，他在給毛澤東的電報中說：“一、二次戰役勝利後，已改變朝鮮戰局，我已由防禦轉為進攻。敵雖士氣低落，但裝備仍占優勢；我雖士氣旺盛，但武器裝備太差，交通運輸嚴重困難，要改善這些條件，最快還須3至6個月才能逐步實現。戰役繼續向南前進時，敵人防線縮短，兵力集中；而我之供應線延長，新的困難亦隨之增加。”但是，那時美國正在玩弄先停火後談判以爭取時間準備再戰的陰謀。12月14日，聯合國通過印度等13個國家的停火提案，打著停火的幌子，企圖阻撓我軍突破“三八線”。毛澤東認為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。因此，他沒有同意彭德懷的建議。
12月31日夜，我誌願軍發起抗美援朝戰爭第三次戰役，到1951年1月8日結束，曆時8天，前進80~110公裏，解放了漢城，共殲敵19000餘人。
彭德懷認為，第三次戰役美軍是不戰而退，他們的主力部隊並沒有受到多大損失，顯然是誘我南下，造成供應線拉長，側翼暴露，以便其利用海空優勢重演仁川登陸故伎。這時，我軍的弱點也逐漸暴露出來，裝備差，無空中掩護，後勤保障能力弱，士兵攜帶的糧、彈隻夠維持5~7天。美軍嘲諷我隻能發動“星期攻勢”。果然，1月25日，美軍集結20多萬兵力向我發起進攻，這就是抗美援朝戰爭第四次戰役。這次戰役曆時87天，到4月27日結束。敵雖重新占領漢城，並把戰線恢複到“三八線”一帶，但我軍大量殺傷敵人，共殲敵78000餘人。