1951年4月初，中国人民志愿军第二番入朝部队第十九兵团和第二兵团共6个军先后到达朝鲜战场，加上原在朝鲜作战的9个军，共有15个军约100万兵力（含后勤部队）。

4月6日，彭德怀主持召开志愿军第五次党委扩大会，讨论和部署第五次战役。参加会议的除先期入朝的9个军的领导人外，增加了新入朝的第三兵团和第十九兵团各军领导人，同时邀请朝鲜人民军前线指挥员金雄、金一等列席会议。会场设在上甘岭一个大矿洞里，由十几个炮弹箱垒成的会议桌摆在矿洞的中央。会议开始，彭德怀环视坐在两旁那些熟悉的和不熟悉的面孔，面带笑容说：“美帝国主义纠集十几个国家的军队号称 ‘联合国军’。其实我们志愿军也可称得上，‘联合国军’，我们为了抗美援朝、保家卫国，汇集到朝鲜战场上来。有来自东北地区的，有来自华北地区的，有来自华东、华南、西南、西北地区的。我们一个兵团住的地区比它们当中的一个国家还大。”他概括了前四次战役的经验教训，说：在打第三次战役时，曾考虑是否过 “三八线”，现在看来当时不急于打过“三八线”也没什么不利。如加以准备，可以伤亡小些，胜利更大些。

在分析了敌我情况后，彭德怀告诫指挥员们说，不能用过去的眼光看今天的战争，我们的战士是用两条腿来和敌人的摩托化部队比赛，你跑得再快，也是追不上的。所以，被包围住的敌人往往又乘车逃跑了。彭德怀坦率地说：“我们现在是被迫后撤，下次战役我们要根据毛主席的指示，消灭敌人几个师，粉碎其登陆计划，夺回战场主动权。”彭德怀提出第五次战役的指导思想说：“这次战役，必须采取战役分割和战术分割相结合。我们必须从金化至加平线劈开一个缺口，将敌人东西分割，如不能分割敌人，我们就要失败。战术分割是小块小块的分割，大的包围迂回同小的迂回包围必须密切结合。”“要有完全的主动权，要有绝对的优势，不管敌人有何变化都能行。”彭德怀特别强调了后勤工作的重要­性­，说，这次打胜了，全体指战员的功劳算一半，后勤工作算一半。

会议结束后，为便于指挥，志愿军司令部于4月9日转移到伊川郡空寺洞，矿洞滴水不能挂图，彭德怀只得又住在山下的平房里。因转移中车辆多，美机临空侦察，第二天拂晓，又有两架美机来袭。彭德怀刚起身，一架敌机俯冲下来，火箭炮、子弹­射­向平房周围，警卫员把彭德怀拖起来就跑。紧接着，第二架飞机又­射­下一串火箭炮和燃烧弹，平房中弹起火。此时彭德怀刚被参谋和警卫员拖着趴在山坡上一个临时防空洞内，他急得大喊：“不要管我！赶快去寻找邓副司令、洪副司令！”飞机去后，大家返回平房，看到不仅门窗墙壁中弹起火，连电话机和脸盆也中了弹，彭德怀的行军床被打穿 4 个洞，被子还在冒烟。大家又气愤又庆幸。不知谁喊了一句：“彭老总真是命大呀！这次又平安无事哟！”彭德怀说：“美国飞贼的炮口打得还真准，不过他并不认得我姓彭的。”

当天下午，在空寺洞一个­阴­暗潮湿的矿洞内，几根蜡烛闪闪发光，弹药箱上铺满了地图，四周坐着邓华、洪学智、韩先楚、解方等志司领导人和作战、情报、通信、机要等各处处长，志司作战会议照常举行。彭德怀一进会场先批评了一顿，说蜡烛点得太多。会议开始，彭德怀讲话，说：“第五次战役，志愿军将有11个军33个师和炮兵、高­射­炮兵、工程兵等部队约70多万人，及朝鲜人民军3个军团约8万多人，加上后勤部队、兵站、医院等共约100万人参加。一场大恶战即将开始，我们必须遵照毛主席的指示，消灭敌人儿个师，打几个大胜仗，夺回战场的主动权。”4月12日，彭德怀电告毛泽东并下令各军准备于20日左右开始出击，如敌停止不进，则于5月上旬再行出击，以便有充分时间进行休整补充。4月13日，毛泽东复电同意彭德怀对敌情的判断和下一战役的部署方案。

鉴于“联合国军”主要兵力部署在西线，彭德怀将志愿军主力集中于西线实施突击，东线由人民军担任牵制美军的任务。西线志愿军又分为左、中、右3个突击集团，各配属一部炮兵支援作战。

4月22日17时，中朝联军在西线以12个军的优势兵力，突然向“联合国军”全线发起猛烈的反突击。各兵团、各军根据中朝联军司令部21日的命令，向敌防御纵深连续突击，发展进攻。左翼第九兵团（辖二十、二十六、二十七、三十九、四十军）迅速突破敌人防御，于23日午夜，突入敌纵深30多公里。突击到“三八线”以南地区，完成了战役分割任务。担任中央突击集团的第三兵团（辖第十二、十五、六十军）从国内到达出发阵地仅10天左右，还没有和美军作战的经验，在突破敌人纵深后，遭敌顽强抵抗，几经激战歼灭美三师一部。担任右翼突击集团的十九兵团（辖六十三、六十四、六十五军）和人民军第一军团发起进攻后，于23日凌晨突过临津江，攻占了江南几处要点。人民军第一军团攻占了开城和长湍。

担任东线作战的朝鲜人民军第三和第五军团为配合西线作战，分别向杨口、元通里一线南朝鲜军发起进攻，先后歼灭其第五、第七师各一部。

4月24日，西线中朝联军全线向南发展进攻，全部抵达或超过“三八线”。

根据毛泽东的指示，彭德怀原设想以14个军的绝对优势兵力，以猛烈的突击，一举再将敌军打回“三八线”以南，相机重新攻占汉城。但李奇微掌握了志愿军战士必须自带粮食、白天大兵团不能作战、只能乘夜间采取迂回穿Сhā分割包围战术的规律，嘲笑志愿军的进攻不过是“一礼拜攻势”在中朝联军开始进攻后，李奇微采取节节抗击，逐步撤退的战术，其主力部队每天下午先撤退，留少数摩托化部队与志愿军保持接触作掩护；当志愿军利用黄昏发起攻击时，其掩护部队即迅速撤退20至30公里布防；当志愿军步行追击至拂晓停止时，恰好暴露在敌炮火控制之下，被其炮火杀伤而难以活动。这样，中朝联军经过3天3夜的进攻，虽然迫使“联合国军”逐步撤至“二八线”以南的锦屏山、县里、加平、春川第炭线阵地，但其被围部队大部在飞机坦克的掩护下跑掉。中朝联军歼敌不多，没有达到预期的目的。

4月26日，彭德怀向军委和毛泽东报告说：“新到日本之敌军共有15万余。估计敌或以一部加强正面，同时有在我后方登陆的可能。此役原拟于5月上旬开始，但为了推迟敌之登陆，避免同时两面作战，因此提前于4月22日开始。但各项准备均不充分，敌在战术上前进时步步为营，后退时节节抗击。致作战三昼夜，没有达到迂回议政府、截断敌人退路的计划，估计战果有限，不足以打破敌登陆企图。朝鲜地形狭窄，海岸线长，港口多，敌有强大海、空军，这些是其登陆的便利条件。志愿军党委多次考虑下一战役须准备打敌登陆部队，因此我军主力目前不宜南进过远。敌军一旦登陆成功，我之咽喉即被扼住，我正面部队即使能打到釜山，亦最终不得不被迫撤退。此次我军拟在突破敌军抵抗后，以5个军相机追击至‘三七线’为止，如敌扼守汉江及汉城桥头阵地，我则以小部队监视袭击之，使敌后备兵团部队增援正面，推迟其登陆时间，减弱其登陆力量。为应付万一，我必须立即修好熙川至阳德公路，以保障主要运输供应线。深盼军委对空军加速准备，配合作战。”

从彭德怀的报告可以看出，他最担心的是“联合国军”重演仁川登陆，占领朝鲜蜂腰部。使中朝联军陷入腹背受敌、两面作战的局面。而此时，在北京中南海，毛泽东和周恩来等最为担心的也是这个问题，故复电彭德怀说：“目前自应以敌人会很快登陆作准备，免陷被动。”

对于彭德怀决定提早发起第五次战役，事后有两种不同的评价。有些人认为：为了粉碎敌人登陆计划，这个决定是正确的；有些人认为：这次战役打得太急，如迟打一些日子，准备得充分些，战果会大一些。

4月26日，中朝联军继续向敌纵深发展进攻。28日，“联合国军”主力被迫撤至汉城及北汉江、昭阳江以南，继续组织防御。这时，新任美军第八集团军司令范佛里特将美骑一师也调到汉城，组成密集火网，诱我攻城。彭德怀揣度其意，认为在汉江以北歼敌的战机已失，即命西线主力停止进攻，只派一部兵力逼近汉城，一部逼近汉江，一部渡过昭阳江，与敌保持接触，掩护主力准备转移到东线作战。至此，第五次战役第一阶段作战结束。中朝联军连续进攻7天，歼敌2.3万人。因装备太差，新入朝部队经验不足，使被围之敌大部逃走，没有消灭美军1个整团的战例。

这时，彭德怀为什么将战场从西线转移到东线呢？在第一阶段的攻势中，中朝联军西线右翼集团向南前进了50多公里，直抵“三八线”以南的汉城地区，将整个战线形成了由西南逐渐向东北延伸的一条斜线态势，使防守在东线的南朝鲜3个师侧翼暴露。彭德怀判断美军主力8个师决心死守汉城，我军难以取胜，而东线南朝鲜军的战斗力较弱，比较好打。他临机应变，决定立即向东转移兵力，围歼南朝鲜军。

彭德怀在改变战役决心后，担心被敌人发觉。为迷惑与钳制西线美军，于4月29日急电人民军一军团在汉江下游汉江北岸作渡江佯动。以小部队向当面之敌袭扰，令十九兵团在汉城以东汉江上游同时实施佯动；令三十九军主力南渡昭阳江，进至春川、洪川间，以掩护志愿军第三、第九兵团于5月初从东线出击。范佛里特发现中朝联军主力集结休整，为查明我军动向，自4月30日始，以一部兵力向中朝联军阵地反攻。敌人判断我军可能向中部战线发动新的攻势，遂即调整兵力在中线转入防御。5月6日，彭德怀命令志愿军主力隐蔽向东转移。

5月9日，中朝联军利用敌人尚未准确判明我军动向之机，遵照彭德怀的部署，挥师东移。志愿军战士穿过高山峡谷和丛林密布的小路，至15日相继隐蔽进入春川至兰由间的北汉江和昭阳江两岸地区，朝鲜人民军第二、第三、第五军团亦同时进占麟蹄及以东地区，按时完成了战役展开和进攻准备。5月16日傍晚，在东线战场上，中国人民志愿军第三、第九兵团6个军及朝鲜人民军3个军团以优势兵力一齐出动，乘敌不备，向县里周围地区的南朝鲜第三、第九2个师迂回，实施钳击合围。

东线围歼战役开始后。彭德怀昼夜守在指挥部里，不断接收来自前线的战报。5月17日凌晨，他给朝鲜人民军前线司令员金雄和志愿军九兵团司令员宋时轮电指示：“此战役第一阶段付出了相当大的代价，才将美军调到春川及其以西至汉城线，使我在第二阶段中才有机会以消灭李伪军为主。因此必须克服一切困难，坚决贯彻多消灭李伪军的­精­神，即是孤立美军、分散美军，创造今后消灭美军的有利战机。必须贯彻大胆迂回与分割包围，以达全歼敌人的作战思想。应利用天候和敌人混乱时，不放松白天作战的任何机会，并须配以适当战斗部队，认真搜索溃散之敌和武器弹药。预祝你们胜利。”17日上午，中朝联军形成合围，惊慌万状的南朝鲜军，向东南突围逃窜，但此时，退路已被志愿军切断。中朝联军密切配合，对被围之敌发起攻击，激战至19日，将南朝鲜第三、第九两个师大部歼灭，缴获了该两师的全部重装备。中朝联军还击溃了南朝鲜第五师和第七师残部，共歼敌1.7万余人。

与此同时，在中线的志愿军第三兵团也发起攻击。歼灭美军两个营和法国营大部及南朝鲜军一部，牵制了美军第七师，使其无法东援。

中朝联军在东线发起进攻后，部署在西线的第十九兵团3个军和朝鲜人民军第一军团于5月16日夜以一部兵力在汉城方向和汉江下游实施佯动，对敌军阵地积极攻击，形成迂回汉城和渡江南进的姿态。彭德怀预先部署的这一着妙棋，果然见效。当人民军第一军团派出一部兵力在汉城以西渡江时，敌军连声惊呼：“汉城正面临着第二次危机。”

直至5月20日，美军第八集团军司令范佛里特才发觉志愿军主力已东移。急令西线美军3个师及3个旅于当日向西线志愿军十九兵团阵地猛烈攻击。十九兵团各军遂逐步转入防御。同日，美军第十军主力沿战线向洪川方向逐次东移，美军第三师也自汉城东南方向迅速东援。美军是摩托化部队，速度甚快，西线至东线150多公里的距离，不到一大就全部到达，堵塞了中朝联军的战役缺口。此时，南朝鲜第八师亦由大田北调平昌、堤川，建立纵深防线，于是“联合国军”又形成了东、西相接的完整防线，再次阻挡了中朝联军的攻势。5月21日，彭德怀电毛泽东并高岗说：“以前各役携带5天粮食可以打7天仗，因就地可筹借部分补充之。现在携带7天粮食，只能打5天仗，因在战斗中消耗，就地不能筹补。现洪川之敌顽抗不退，使我东线作战部队无法运输接济，而美第三师东调后堵塞了洪川、江陵间缺口。我军第五次战役西线出击伤亡3万，东线出击伤亡万余。一月之内进行了东、西两次作战，部队有些疲劳，需休整总结经验。现第一线运输极端困难，且雨季已近，江河湖沼尽在我军之后，一旦山洪暴发，交通全断，顾虑甚大。此役未消灭美军的师、团建制，敌还有北犯可能。根据上述，我军继续前进，不易消灭敌人，徒增困难，不如后撤，使主力体整，以逸待劳，寻机歼敌。妥否盼示。”翌日，毛泽东复电说：“根据目前情况，收兵休整，准备再战，这个处置是正确的。”5月22日，中朝联军停止对敌攻击，结束了第二阶段战役。