第五次战役，是抗美援朝战争中双方投入兵力最多、规模最大的一次战役。志愿军和人民军共投入十一个军和四个军团的兵力，“联合国军”则投入了几乎全部地面部队，并有大量航空兵的支援，双方总兵力达100万人，激战五十天，志愿军和人民军取得了战役的重大胜利，但在转移阶段也遭受了不小的损失。
一、志愿军提前发起第五次战役
撤出砥平里战斗后的第二天，1951年2月17日，彭德怀和朴一禹下达了志愿军和人民军全线转入运动防御的命令，李奇微指挥“联合国军”向北推进。
鉴于“联合国军”的反扑和志愿军第二番部队已陆续到达朝鲜战场的情况，2月28日，邓华、朴一禹、洪学智、解方致电彭德怀（此时彭在北京），建议集中六至八个军在3月间组织一次较大的战役，以有力打击北犯之敌。他们认为，虽然这样做会影响第二番部队的作战，但在敌进攻下将迫使我作战，还不如主动地打击敌人为好。
3月2日，彭德怀回电。他认为，从第二番部队第19、第3、第9兵团开进集结和粮食、弹药储备等情况看，在3月间组织一次较大战役有困难，而且会使“联合国军”过早注意我第二番部队。而到4月上中旬即可集中志愿军三个兵团共九个军和人民军两个军团，此时再大举出击较为有利。
几天之后，彭德怀返回朝鲜战场。他与邓华等研究了战场情况，决定采取运动防御的方式，节节阻击敌人，争取时间，将敌诱至对我有利的地区，等待志愿军后续部队发起战役反击。新的战役反击发起时间初步定在4月中旬。
但是，第3、第9兵团预计到4月10日还无法进至指定位置，完成战役准备；第19兵团虽然已进至指定位置，由于补入的新兵较多，必须进行近一个月的训练；人民军也需补充兵员；实施新战役所需物资也没有准备好。于是，彭德怀考虑第五次战役最好是乘敌进入三八线南北地区立足未稳之时发起，时间大致在5月上旬。
4月初情况又起了新变化。
自1951年3月下旬“联合国军”将战线推到三八线附近后，英、法等国参加“联合国军”的国家与美国以及美国统治集团内部，在要不要越过三八线和采取什么方式结束朝鲜战争的问题上发生了争执。英、法等国不愿意长期陷在朝鲜半岛，认为此时是结束朝鲜战争的“心理时机”，主张在三八线建立“事实上的停火”，通过谈判解决朝鲜问题。美国内部意见分歧也很大，有的同意英、法的意见，有的主张在战场上取得有利地位后再谋求谈判，有的主张以武力彻底解决朝鲜问题，如麦克阿瑟甚至叫嚷不惜把战争扩大到中国。
美国政府经与盟国协商，从其全球战略出发，决定在不扩大战争范围的前提下，稳步向朝鲜北部推进，待占领有利地区后，即以“实力政策”为基础，或与中朝进行外交谈判，或继续进行军事行动，以保持美国在亚洲的地位。
“联合国军”根据美国当局的这一新政策于4月初再次越过三八线，实施“狂暴行动”作战。4月9日，美第1、第9军和南朝鲜第1军团进至“堪萨斯线”。4月10日，“联合国军”又实施“无畏行动”作战计划，向“犹他线”推进。4月20日，美第1、第9军部队进抵“犹他线”。
与此同时，美国加紧整训在日本的南朝鲜军三个师；将转为现役的两个国民警卫师（第40、第45师）调往日本，与原在日本的步兵第34团组成第16军；加速扩建釜山、金浦等空军基地，美航空兵对志愿军和人民军后方交通线、物资囤积地和军队集结地等重要目标进行狂轰滥炸；其海军加强对元山、新浦、清津等港口的炮击、封锁。美国政府要员和各种舆论公开宣称，“联合国军”将继续北进，以侧后登陆配合正面进攻，在“朝鲜蜂腰部建立新防线”。
根据获得的情报和“联合国军”在战场上的各种迹象判断，“联合国军”企图实施侧后登陆以配合正面进攻，进占安州——元山一线，在朝鲜蜂腰部建立新防线。此时，志愿军第二番部队已陆续入朝，力量得到很大的加强，但尚无在正面和侧后同时阻挡住敌人进攻的。根据敌人的这些新动向和志愿军第二番作战部队大部到达三八线以北完成集结的情况，4月初志愿军召开党委扩大会议，决定抢在“联合国军”实施登陆作战前发起第五次战役，迫敌放弃在侧后登陆企图，避免两线作战。
彭德怀司令员在会上提出，我军反攻时机，以现在为好，因敌很疲劳，伤亡还未补充，部队不甚充实，且后备部队尚未到达。考虑到我第二番作战部队尚未集结完毕，因将敌大体放至金化——文登里——杆城一线，然后实施反击。彭德怀还根据敌人战役布势上只有战术纵深的情况提出了第五次战役应采取的方针，即采取战役分割包围与战术分割包围相结合的方针。
会议决定于4月下旬或5月上旬发起反击，以志愿军十一个军在人民军三个军团配合下，歼灭战线中西部的敌人几个师，夺回战场主动权。这次战役被志愿军党委视为关系到战争是长期还是短期关键。具体部署是：
以第40军从金化至加平线打开战役缺口，将敌东西割裂，并以第39军牵制华川、春川间美军，使其不能西援；以第3兵团第12、第15，第60军正面突击，以第9兵团第20、第26、第27军和第19兵团第63、第64、第65军分从东西两翼突破，实施战役迂回，首先将南朝鲜第1师、英第29旅、美第3师（欠一个团）、土耳其旅、南朝鲜第6师歼灭，然后再集中力量会歼美第24师和第25师。以第38、第42、第47军和人民军两个军团在肃川、元山和平壤地区，防敌侧后登陆。
4月10日，彭德怀向毛泽东汇报第五次战役的方针和部署，他在电报中报告说：
我作战企图，拟从金化至加平线，利用这一大山区，劈开一个缺口，将敌人东西割裂，然后用九兵团和十九兵团对西线敌人进行战役迂回，三兵团正面进攻，以各个分割歼灭敌人，力求在三八线以北歼灭敌人几个师，得手后再向敌纵深发展。
毛泽东三天后回电：“完全同意你的预定部署，请依情况坚央执行之。”
4月21日，志愿军第二番作战部队基本完成作战准备，第一番作战部队结束第四次战役。
此时，“联合国军”和南朝鲜军在前线共十六个师三个旅又一个团，兵力34万人，并有大量航空兵支援。美第8集团军的具体部署是这样的：美第1军指挥美第3师、美第25师、南朝鲜第1师、英第29旅、土耳其旅，防守汶山、高阳、古南山、富坪里地带；美第9军指挥美第24师、美陆战第1师、美第27旅（后由第28旅接替）、南朝鲜第6师，防守汉滩川、清平川、大利里、春川地带；美第10军指挥美第2师、美第7师、南朝鲜第5师，成一个梯队展开，防守九万里、洪川、大岩山地带；南朝鲜第3军团指挥第3师、第7师，防守元通里、山南里、月屯里地带；南朝鲜第1军团指挥首都师、第11师；第9师，防守寒溪岭、横岭里、杆城、江陵地带；美骑兵第1师、第187空降团、南朝鲜第2师为美第8集团军预备队，置于春川、水原、原州一带。
志愿军和人民军在第一线集中了志愿军十一个军三个炮师和一个高炮师，兵力58万余人，加上人民军三个军团，共为68万余人，后力虽然占优势，但仍没有空中支援，武器装备处于悬殊劣势的状态。
二、突破拦阻，层层逼近
4月22日黄昏，志愿军和人民军各突出集团按照计划，向“联合国军”发起全线反击，敌我双方投入兵力最大的一次战役打响了。
战役发起后，志愿军第40军在军长温玉成、政治委员袁升平指挥下动作迅猛，一夜之间打乱了南朝鲜第6师在白云山以东的部署，占领敌第一线主阵地。接着，他们兵分两路，向敌纵深猛插。第118师354团参谋长刘玉珠，率领第3营，沿途击破敌军五次阻击，前进30多公里，于23日中午提前到达加平东北沐洞里。为了全局的胜利，他们又与数倍于己的美、英军展开激战，阻止了敌军西援。至25日，第40军共歼敌2200余人，胜利完成了割裂“联合国军”的任务。
第39军经过激战，将美陆战第1师拦阻在北汉江以东地区，使其不能西援。
左翼宋时轮第9兵团突破后发展较为顺利，歼灭美第25、第24师和南朝鲜第6师各一部。25日，主力进占抱川东和东北地区。
右翼杨得志第19兵团扫清临津江西岸之敌后，于23日凌晨先后突破临津江。担任向议政府方向迂回任务的第64军，突破后受阻，未完成迂回切断敌军后路的任务。但该军第190师侦察支队和第569团第3营组成的先遣支队，在二十小时内突破敌军七次拦击，插入敌纵深25公里，于24日下午占领议政府西南的道峰山，并坚守阵地三天四夜，成为插在敌人心脏的一把尖刀。
志愿军第63军第187、第188师冒着敌人的炮火，不顾江水刺骨的严寒，渡过临津江，在第65军一个师的配合下，迅速攻占英第29旅一线防御阵地，并打退敌多次反扑。第188师第564团第7连两个班顽强坚守一座高地，最后只剩下战士陈三一个人。他独身一人顽强作战，打退了200余人的三次反扑，毙伤敌八十余人，守住了阵地。傅崇碧率领军前进指挥所随第187师过江后，令第189师从第187师突破口进入战斗，向纵深发展，协同第187师歼灭英第29旅，向后向议政府方向地进攻，断美第3师的退路。
第63军第187师第561团勇猛穿插，越过15公里崎岖的山路，粉碎敌人数次拦阻，夺占临津江南岸敌纵深第一个制高点、也是敌在雪马里地域防御的要点——绀岳山，将英第29旅和美第3师的联系切断。占领绀岳山之后，第187师调整部署，增加穿插兵力。师长徐信率精干的指挥小组随第561团行动。
第561团第1营向绀岳山西南的沙器幕方向渗透，将绀岳山西北雪马里地区守敌的退路切断。该营第2连6班战斗小组长刘光子在沙器幕山梁搜索前进时，发现山沟里挤了不少敌人。刘光子浑身是胆，只身一人绕到敌人后面，利用岩头的掩护，突然用冲锋枪扫射，又甩出一个手雷，趁烟雾迅速冲向敌群，大喊一声“缴枪不杀”。敌人被突如其来的枪弹声和喊声所震慑，吓得晕头转向，乖乖缴枪投降。后来，排长派人向后方押送俘虏途中，遇美机轰炸，俘虏死伤逃散了一部分，最后清点，还剩下六十三人。刘光子创造了一人俘虏六十三个英国兵的奇迹，荣立一等功，获二级孤胆英雄称号。第187师文工队梁立、吕合、权泊涛将根据刘光子的事迹创造了大鼓《孤胆英雄刘光子》。
4月23日15时，第187师第二梯队第560团奉命加入战斗，在第559团和第561团的协同下，攻歼被包围于绀岳山西北雪马里地区的英第29旅格洛斯特营。
被围的英第29旅格洛斯特营和配属的皇家炮兵第70连、第170迫击炮连C排和部分坦克分队共1000余人。该营是英军有150年历史的王牌部队。在1801年英国远征埃及的殖民战争中，因反败为胜，被英皇特授“皇家陆军”字样帽徽，从此该营官兵都佩带有两枚帽徽，被称为“皇家陆军双徽营”。
24日拂晓，雪马里围歼战打响。第187师以第560团主力前后夹攻，攻占雪马里以北的高地。被围英军遗弃重装备，在纵深炮火的支援下，在晨雾中向南突围，遇到第560团第1营的截击，英军被迫缩回雪马里及235高地。志愿军进一步缩小包围圈。
“联合国军”总司令李奇微急忙飞到朝鲜前线，组织救援。英第29旅派出菲律宾加强营，美第3师派出两个营并加强一个坦克营第一个炮兵营，在航空兵的支援下，分别由东向西救援；南朝鲜第1师第12团在一个重坦克连引导下，由西向东救援，均被志愿军第187师第561、第559团和第189师第566团顽强阻挡。
25日8时，担负主攻任务的第560团发起最后攻击，全歼被围之敌。
雪马里围歼战，志愿军第187师全歼英军第29旅格洛斯特营及配属部队，共毙伤俘敌580余人，缴获坦克十八辆、火炮二十六门、汽车四十八台。英军该营被歼在英国军政当局引起了巨大震动，并增加了美英之间的矛盾。
中路王近山指挥的第3兵团突破后，在涟川周围地区遭到美第3师、土耳其旅的抵抗。第60军一举突破土耳其旅和防线，切断了其与美第25师的联系。第15军和第12军在突破后各歼敌一部。到25日夜，第3兵团部队夺占了涟川以南哨城里、钟悬山和宝藏山地区。
在志愿军和人民军的强大反击下，“联合国军”地面部队依靠空中掩护和现代化的运输装备，迅速后撤，企图到二线阵地继续抵抗。志愿军和人民军继续发展进攻，于26日攻占了敌在锦屏山——县里——加平一线设置的第二线阵地。
4月29日，志愿军和人民军逼近汉城，一部前出至汉城近郊北岳山。根据中朝联合司令部的命令，部队停止进攻，第一阶段作战结束。这一阶段作战，歼敌23000余人，将“联合国军”和南朝鲜军从三八线赶至汉城东西一线地区，夺回战场主动权。