1950年12月31日至1951年1月8日，志愿軍和朝鮮人民軍聯合發起了第三次戰役。此役，中朝軍隊越過三八線占領漢城，并前進至三七線，在世界上造成了巨大的政治影響。

　　第三次戰役開始前，朝鮮人民軍經整頓已有3個軍團可以投入戰斗，這時中朝軍隊也終于實現了統一指揮。12月4日兩軍成立了中朝聯合司令部彭德懷任司令員兼政委，鄧華、洪學智任副司令員；朝鮮人民軍方面委派金雄任副司令員，樸一禹任副政委。

　　自“聯合國軍”在三八線以北全線敗退后，美國總統杜魯門就公開表示要考慮使用原子彈。當時美國最高當局對志愿軍的力量作出了過高的估計，一度考慮在中國軍隊攻擊下有可能撤出朝鮮。然而新接任美第8集團軍司令的李奇微卻不同意撤退，其主張在條件許可之時即可恢復攻勢。美軍在吸取了被志愿軍迂回穿插的教訓之后，迅速在三八線以南縱深地區建立了五道防線（分別稱為A.B.C.D.E線）。南朝鮮軍的8個師被擺在第一線，美英軍放在第二線，擺出了一副可打可撤的姿態。

　　第三戰役開始前志愿軍首長的決心是：出動9個軍（內含人民軍3個軍團）對敵進行分割包圍，爭取在三八線附近殲滅敵軍主力。12月27日前，志愿軍6個軍（第38、第39、第40、第42、第50、第66軍）和人民軍3個軍團（第1、第2、第5軍團）共30余萬人（其中志愿軍23萬人）隱蔽進入三八線以北的預定地域。

　　此時因距國內的運輸線由100余公里突然拉長至500公里，志愿軍后勤供應更為困難。部隊僅勉強補充了彈藥，國內運來的糧食只能滿足最低需求的四分之一，靠朝鮮政府發動北朝鮮地方群眾給志愿軍借糧，才籌到3萬噸糧食，解決了一時的急需。戰役發起前，朝鮮人民軍第2、第5軍團就在東線越過三八線，向敵側后滲透。12月31日晚17時，志愿軍在西線向敵三八線防線發起全線進攻。

　　攻擊開始前，各部隊發揮了出色的偽裝技能。各部采取拂曉進入出發地，然后以樹枝、白雪嚴密偽裝，在白天終于瞞過敵飛機和前沿哨兵的偵察，入夜突然發起攻擊。攻擊開始時，志愿軍集中了100余門火炮，在主要方向進行了短促的火力準備。這是抗美援朝戰爭中第一次大規模使用炮兵，為打開突破口起到了重要作用。

　　經志愿軍和人民軍兩天一夜的穿插追擊，至1951年1月2日，漢城以東的南朝鮮軍潰逃，使漢城地區的10余萬“聯合國軍”處于被中朝部隊從右翼實施深遠包圍，在漢江以北背水作戰的危險境地，美第8集團軍司令李奇微就此下令放棄漢城。

　　發現敵人全線撤退后，志愿軍立即開始全線追擊。由于敵軍全系摩托化部隊，徒步無法追上，只消滅了敵人的少數掩護部隊。4日夜，志愿軍第50軍和第39軍的1個師連同朝鮮人民軍第1軍團進占漢城。8日，人民軍第一軍團占領仁川。同日，中朝部隊已全線進抵三七線。志愿軍司令員兼政治委員彭德懷毅然下令停止追擊，第三次戰役至此結束。戰役中共殲敵1．9萬人，其中絕大部分是南朝鮮軍。中朝軍隊傷亡僅0．85萬人。