傍晚，中朝部隊14個軍在200多公裏的寬大正麵同時發起進攻。誌願軍數千門大炮將如雨般的炮彈潑向美韓軍陣地，部隊采取分進合擊的戰術穿插前進。9兵團首先將南朝鮮6師和美24師一部擊潰，將敵人陣地分割成兩部分。東西兩線中朝軍隊乘勢向後撤之敵猛攻，7天向敵人推進80公裏。楊得誌的第19兵團打了幾個漂亮仗，其63軍軍長傅崇碧利用美軍以為中國軍隊不敢白天戰鬥的想法，命令第187師分成多路縱隊，大白天分散接近臨津江天，黑後突然發起攻擊，一舉突破寬1000米的臨津江防線，南朝鮮第1師和英第29旅的防禦陣地被打得稀巴爛，殲滅了南朝鮮第1師一部和英第29旅格羅斯特團第1營及坦克團大部共4000多人。
這是英29旅在誌願軍新年攻勢中受到襲擊後又一次遭受重創，其中格羅斯特團損失慘重。
格羅斯特團是英軍中唯一綴有兩個帽徽的常勝團，是英軍著名的功勳部隊。該團在1801年遠征埃及的殖民戰爭中被圍，後經過苦戰建立奇功，獲得綴兩個帽徽的殊榮。但是，如今麵對中國誌願軍的虎狼之師，再也沒有了當年的威風。它的士兵在誌願軍猛烈攻勢麵前驚慌失措，四處逃竄，各種物資丟棄滿地。團長兼直屬營營長卡斯躺在屍體堆裏撞死，卻沒有逃過當俘虜的命運。
格羅斯特團被圍李奇微萬分焦急。英國人拿這支部隊當寶貝，一旦被殲滅，他實在不好向英國人交代。無奈之下，他從日本飛臨朝鮮戰場，命令美3師師長索爾不惜一切代價救出格羅斯特團。索爾知道此事不簡單，命令菲律賓第10營援救格羅斯特團，並派出8輛重型坦克，10架飛機掩護衝鋒。誌願軍戰士把坦克放進一個公路狹窄處，擊毀前後各一輛坦克，美軍的8輛重型坦克立即前進不能，後退不得，向死蛇一樣攤在公路上，菲律賓那些士兵這輩子沒見過如此陣勢，頃刻間四散奔逃。
此時的英29旅旅長羅迪耶雖然焦急萬分卻鞭長莫及，隻有把希望寄托在美國佬身上。但是，美3師這會兒也遭到誌願軍猛烈攻擊，自身難保，又把準備用來救援格羅斯特團的部隊大部分撤回，用來填補防線的漏洞，隻給他留下一個營的援兵。就是這僅存的一個營，遭到誌願軍一陣炮火以後，毫不猶豫掉頭就跑。災難終於降臨到英軍這支功勳部隊身上，隻逃出了39人，全部被斃傷或者俘虜。
63軍戰果輝煌，但64軍和65軍卻損失慘重。64軍的一個營和團偵查支隊，20小時衝破敵人7次阻擊，在敵人縱深穿插60公裏，奪取了議政府附近的製高點峰山，切斷了漢城以北敵人的退路，並堅持了三天四夜，但是64軍的主力卻在臨津江浴血奮戰，難以及時趕到，這兩支分隊的穿插成果沒有得到很好的應用。由於新入朝的部隊缺乏對美軍作戰的經驗，不敢穿插迂回，分割包圍敵人，64軍主力被敵人攔截不能前進，而65軍主力又尾隨而至，致使5、6萬人擁擠在臨津江南岸20平方公裏的狹窄地域，連續遭到敵人密集炮火攻擊，傷亡慘重。
至此，誌願軍向南推進70公裏，19兵團推進到漢城北郊，“聯合國軍”花費了兩個多月爭奪的地盤兒，誌願軍用了7天就奪回來了。
這時，誌願軍自身攜帶的糧彈已基本用完，攻擊漢城顯然沒有勝算，彭德懷命令部隊停止進攻，就地休整。
第五次戰役第一階段結束，雖然殲敵23000人，但未能成建製消滅敵人一個團，離殲敵5個師的戰役預想相差太遠。究其原因，一是範佛裏特抓住誌願軍的弱點，采取節節撤退的戰術。敵人白天撤退，擔任掩護的摩托化部隊和坦克部隊黃昏撤退，每天恰恰隻撤退20公裏，正好是誌願軍一夜攻擊的路程。誌願軍夜間抓不住敵人，天亮後又正好進到敵人陣地前沿，馬上遭到敵陣地上炮火的殺傷。二是範佛裏特建立了火力兵力密切配合的縱深防禦體係。誌願軍打近戰攻不到敵人跟前，打夜戰又不能當夜解決當前之敵，進攻無力，速決不能，十分被動。誌願軍曾經在加平方向打開一個戰線缺口，對敵人側翼形成有利態勢，卻因為糧彈補給缺乏，不得不停下來等待補充。
這一停，給範佛裏特提供了時間空間，敵人摩托化部隊迅速趕來堵住了缺口。後勤薄弱，火力太差，每到關鍵時候就顯得後勁無力，這仗真的沒法打。可是，調動了如此規模龐大的兵力，就這樣草草收場，誌願軍上下十分不情願。
“聯合國軍”自4月30日起，以部分兵力對誌願軍實施反擊，目的是破壞誌願軍的進攻準備。李奇微認為中共軍可能從中線突破，所以把美7師調至揪穀裏、龍頭裏地區，南朝鮮2師調至禾也山、鼎排裏地區，用以加強美9軍的防禦。
這樣，美軍主力大都集中到西線，東線隻有南朝鮮6個師防守。鑒於這個戰役態勢，彭德懷決定將誌願軍主力轉移到東線，爭取先消滅南朝鮮軍，以求達到本次戰役的意圖。
5月16日晚，誌願軍9個軍，人民軍4個軍團發起第二階段戰鬥。西線楊得誌19兵團佯攻漢城，吸引美軍主力，轉移他們的注意力。中線王近山3兵團實施中央突破，切斷敵人東西兩線聯係。宋時輪9兵團和人民軍3個軍團立即在東線分割包圍南朝鮮軍。東線兵團傍晚突破，夜間向縱深穿插，天明合圍，占領南朝鮮軍撤退的必經之路五馬峙。發現後路被操，腹背受敵，已經被打得七零八落的南朝鮮第3軍團4個師立即崩潰，就連副軍團長也丟下部隊，搶先化整為零，分散逃跑。四個師的裝備，全部丟下，留給了誌願軍。雖然繳獲了四個師的裝備，但由於東線山高林密，誌願軍無法對逃散的南朝鮮士兵進行搜剿，結果隻消滅了他們17000人。南朝鮮第三軍團有此大敗，惹怒了李奇微和範佛裏特，命令撤銷南朝鮮第3軍團的番號，部隊立即遣散。
在這次作戰中王近山的3兵團第12軍英勇頑強，值得單獨一書。戰役開始，12軍奉命在加裏山至鷹峰之間突破，向自隱裏、豐岩裏攻擊前進。除主力協同殲滅南朝鮮第5師外，以一個師向束沙裏方向實施戰役迂回穿插，與人民軍第2軍團形成合圍態勢。戰前情報顯示，防守自隱裏的是南朝鮮軍隊。但是，當12軍到達自隱裏，戰鬥發起之後才發現，這裏不僅有南朝鮮軍隊，還有美第2師23團兩個營、一個法國營。敵情變化較大，怎麼辦？12軍軍長曾紹山、副軍長肖永銀認為，殲敵良機稍縱即逝，不能因為有美國人和法國人，就白白放掉他們。實際上，他們手上當時隻有兩個團的兵力，但是他們毅然決然下令向敵人發起攻擊。12軍當年是解放軍第2野戰軍劉伯承、鄧小平的部隊，劉伯承有一句名言：“狹路相逢勇者勝！”，在解放戰爭千裏躍進大別山突破渦河的戰鬥中，劉伯承正是用這句話鼓勵戰士們，命令肖永銀硬是用刺刀、手榴彈在渦河南岸打開了一個寬5裏，長10裏的狹窄甬道，掩護中原局機關和野戰軍總部突出敵人的合圍。