第三次战役结束后，我军转入休整。经过连续3次战役的胜利，我军已取得了一定的对现代化装备之敌的作战经验，士气异常高涨。但是，我军也面临着很大的困难。部队由于连续作战，减员甚大，兵员没有得到补充。同时随着战线南移，我运输线已很漫长，加上敌机狂轰滥炸，运输更加困难，粮弹物资供应严重不足，再加上已入隆冬，构筑工事不易，许多困难超出了以前3次战役。1月15日，敌人先以一部兵力在西线开始试探性进攻。2月15日起发起全线攻击，主力置于西线，以汉城为主要突击方向。
战役第一阶段，我军实行“西顶东放”的作战布署，在西线，我志愿军2个军和朝鲜人民军1个军团，在汉江南岸，顶住向汉城进攻的美军主力。在东线，我志愿军4个军，朝鲜人民军3个军团，有计划地放敌人进来，造成东线之敌突出，两翼暴露，以便切断其后路，包围歼灭之。
战役一开始，西线我军主动后撤至汉江以南，激战14昼夜，敌人付出了1万多人的代价。2月7日晚，西线西段部队主动转移至汉江北岸组织防御，东段1个军留在南汉江以西地区继续牵制敌人，以保障东线部队反击作战。
2月9日，东线之敌已冒进至横城以北，翼侧已经暴露。11日晚，我军发起对横城之敌猛烈的反击，我军两支迂回部队一夜达成合围，12日，歼灭南朝鲜第8师全部，及美军第二师一部，朝鲜人民军也歼灭了南朝鲜第二师，第五师各一部。
自2月17日起，敌人采取主力靠拢，齐头并进，稳扎稳打，等齐发展的战法，于是，战役进入第二阶段。
我军则采取“运动防御”的战法，逐步回撤到三八线以北地区。2月下旬，朝鲜冰雪开始融化，我军常常在浓密的云雾掩护下，突然发起小型的反击战，杀伤敌人后安返原阵地。我军撤至三八线以北后，敌人逐渐由进攻转入防御，至4月21日战役结束，历时87天。
这次战役中，敌人为了夺回第三次战役中丧失的阵地，不得不付出惨重的代价，伤亡7. 8万余人，不得不停止继续进攻。
在这次战役期间，麦克阿瑟曾狂妄叫嚣，要把战争扩大到中国内地基地及沿海地区，但他所统率的侵略军以惨重的代价所换得的前进速度，却如同乌龟爬行一样，平均每天仅前进1. 5公里。从3月7日起敌人开始实施的所谓“撕裂者行动”作战计划，其目的是“俘虏和消灭敌军（中朝人民部队）的有生力量，缴获和摧毁其武器装备”。然而，他们的目的没有达到。李奇微在他的回忆录里承认，“这次作战没有获得完全成功，因为敌军迅速向北撤退时实施了阻滞战斗”。“我们很失望地发现，敌人什么也没有留给我们，而且未遭我军任何打击便安全撤退了”。此时，杜鲁门与麦克阿瑟之间的矛盾激化了。4月11日，杜鲁门宣布撤销麦克阿瑟的盟军总司令、联合国军总司令、美国远东总司令、美国远东陆军总司令4项职务，由李奇微接替，范佛里特接替第八集团军司令的职务。
朝中人民军队在取得第四次战役的阻击胜利以后，稍事休整，于4月22日又发起了春季反击战役，这是我军为了粉碎敌人在我侧后登陆的计划，为歼灭敌人的有生力量，而提前发起的反突击战役。
第四次战役期间，敌人在日本组织两栖作战部队，企图在我侧后登陆，配合它的正面进攻部队，南北夹击，驱我军至朝鲜蜂腰部以北。所谓朝鲜蜂腰部，就是指朝鲜西海岸清川江口的新安州至朝鲜东部最大海港元山一线。
我军集中于西线，共11个军和4个炮兵师参战，在朝鲜人民军一个军团的配合下，在西线向敌人发起反击，东线人民军两个军团担任箝制任务。
西线我军在4月22日17时发起进攻，利用北至金化，南至加平间大山区打开战役缺口。24日我1个军突破敌人防御纵深30余公里，南进到加平地区，胜利地完成了割裂东、西线敌人的任务。我军歼灭了美第24师和南朝鲜第6师各1部。敌人企图在议政府至春川之间建立新防线，而我军则乘胜向纵深突击，东线朝鲜人民军发起进攻积极配合。28日敌人主力撤至汉城和昭阳江以南组织防御，调集部队，在汉城周围组成稠密的火力控制带，企图诱我军进攻汉城予我大量杀伤。彭德怀及时识破了敌人的诡计，立即于29日果断地停止进攻。胜利地结束了战役的第一阶段。
这一阶段，解放了三八线以南的开城地区。这一地区，从此为朝鲜人民军所控制。但是，志愿军由于张口太大，虽然对美军1个团左右的兵力合围先后有10股之多，可是敌我武器装备悬殊，均不能在一个晚上的夜战中将被围美军吃掉。第二天，我被迫在白昼与美军纠缠，美军利用白昼的有利条件，发挥它的装甲兵、炮兵、航空兵优势，大量出动支援，双方形势发生变化，被围之美军终于都突围而出。彭德怀在其自述中写道：“第五次战役规模是很大的，敌我双方兵力都在百万。没有消灭美军一个团的建制，只消灭一个营的建制有六、七处。原因是我军技术装备太落后，他们空军和地面机械化部队拼命救援。”
我军在这一阶段的实践也证明了，我1个军1个夜晚干脆吃掉美军1个营是完全有把握的。只要1个军一个夜晚干脆吃掉美国1个营，积小胜为大胜，美军兵力不足的弱点必将越来越严重，我就可致敌于死命。
在这次战役第一阶段后期，敌人为了加强汉城的防御，将美军调集于西线，而将南朝鲜军置于东线。我军第一阶段在西线向南推进50余公里，造成了东线南朝鲜军翼侧暴露。于是，我军转移兵力至东线，集中了6个军的兵力，在朝鲜人民军3个军团的协同下，在东线实施主要突击，在西线以3个军箝制敌人。
5月16日，我军迅速突破东线南朝鲜军防线，采取双重迂回战法，17日上午将南朝鲜第三师和第九师退路切断，中朝人民军队密切配合，对敌人形成合围，激战至21日，将这两个师大部歼灭，徼获了这两个师的全部重装备，同时，还击溃了南朝鲜第5师和第7师，歼敌1. 7万余人。此次战斗，充分体现了中朝人民军队的亲密一致和国际主义团结。
东线南韩军被击溃后，西线美3师迅速开赴东线，南韩第八师亦急速北调，堵塞住缺口。在这种情况下，我军继续扩大攻势困难增加，为此，彭德怀决定结束第5次战役，并决定部队向北转移休整。但是，敌人并不善罢甘休，疯狂向我反扑。李奇微在前几次战役中，已经摸到我军进攻的规律，由于我方运输线受到敌机破坏，每次进攻主要是依靠部队随身携带的粮弹，因而只能持续1个星期左右。部队转移时，他就乘机大举反扑，盯住不放，名之曰“磁性战术”。这次战役结束时，他乘我军出击过远，十分疲劳，粮弹补充不及之时，组成反扑部队，以坦克配合摩托化步兵，在空军掩护下，沿公路实施平行追击，对我方阻击部队仅以火力压制或以少数步兵和坦克警戒，而主力在坦克掩护下，继续向我纵深穿插，空降兵在我退路上降落，抢占桥梁、渡口、隘路和要点。我军遭到一个师的损失。
自5月27日起，我全线8个军展开阻击，打击敌人的反扑。我军在阻击中给予敌人大量杀伤，将敌阻于汶山、金化、扬口、高城一线。
6月10日，敌人转入防御，至此，敌人的反扑被粉碎，中朝人民军队结束了第5次战役。从此，敌我双方转入阵地对峙作战状态。
这次战役，我军虽有一个师受到严重损失，但是整个战役是一个大胜仗，歼敌8. 2万多人，这是5个战役中歼敌数目最多的一次，更重要的是，粉碎了敌人在我侧后东西海岸登陆的计划。
第五次战役促进了停战谈判的实现，彭德怀在志愿军党委扩大会上的总结报告中说：“第五次战役打掉了敌人的登陆，打出一个谈判，敌人侮辱我们是‘侵略者’，但又要和我们谈判，这是一个矛盾，自己打自己的嘴巴，这也是敌人屈服在我们的力量之下。”这个评价，是符合实际的。
从此，朝鲜战争形成了一个长时期的边打边谈的，军事斗争和外交斗争交织在一起的十分复杂的斗争局面。