1950年12月31日至1951年1月8日，志愿军和朝鲜人民军联合发起了第三次战役。此役，中朝军队越过三八线占领汉城，并前进至三七线，在世界上造成了巨大的政治影响。
第三次战役开始前，朝鲜人民军经整顿已有3个军团可以投入战斗，这时中朝军队也终于实现了统一指挥。12月4日两军成立了中朝联合司令部彭德怀任司令员兼政委，邓华、洪学智任副司令员；朝鲜人民军方面委派金雄任副司令员，朴一禹任副政委。
自“联合国军”在三八线以北全线败退后，美国总统杜鲁门就公开表示要考虑使用原子弹。当时美国最高当局对志愿军的力量作出了过高的估计，一度考虑在中国军队攻击下有可能撤出朝鲜。然而新接任美第8集团军司令的李奇微却不同意撤退，其主张在条件许可之时即可恢复攻势。美军在吸取了被志愿军迂回穿插的教训之后，迅速在三八线以南纵深地区建立了五道防线（分别称为A.B.C.D.E线）。南朝鲜军的8个师被摆在第一线，美英军放在第二线，摆出了一副可打可撤的姿态。
第三战役开始前志愿军首长的决心是：出动9个军（内含人民军3个军团）对敌进行分割包围，争取在三八线附近歼灭敌军主力。12月27日前，志愿军6个军（第38、第39、第40、第42、第50、第66军）和人民军3个军团（第1、第2、第5军团）共30余万人（其中志愿军23万人）隐蔽进入三八线以北的预定地域。
此时因距国内的运输线由100余公里突然拉长至500公里，志愿军后勤供应更为困难。部队仅勉强补充了弹药，国内运来的粮食只能满足最低需求的四分之一，靠朝鲜政府发动北朝鲜地方群众给志愿军借粮，才筹到3万吨粮食，解决了一时的急需。战役发起前，朝鲜人民军第2、第5军团就在东线越过三八线，向敌侧后渗透。12月31日晚17时，志愿军在西线向敌三八线防线发起全线进攻。
攻击开始前，各部队发挥了出色的伪装技能。各部采取拂晓进入出发地，然后以树枝、白雪严密伪装，在白天终于瞒过敌飞机和前沿哨兵的侦察，入夜突然发起攻击。攻击开始时，志愿军集中了100余门火炮，在主要方向进行了短促的火力准备。这是抗美援朝战争中第一次大规模使用炮兵，为打开突破口起到了重要作用。
经志愿军和人民军两天一夜的穿插追击，至1951年1月2日，汉城以东的南朝鲜军溃逃，使汉城地区的10余万“联合国军”处于被中朝部队从右翼实施深远包围，在汉江以北背水作战的危险境地，美第8集团军司令李奇微就此下令放弃汉城。
发现敌人全线撤退后，志愿军立即开始全线追击。由于敌军全系摩托化部队，徒步无法追上，只消灭了敌人的少数掩护部队。4日夜，志愿军第50军和第39军的1个师连同朝鲜人民军第1军团进占汉城。8日，人民军第一军团占领仁川。同日，中朝部队已全线进抵三七线。志愿军司令员兼政治委员彭德怀毅然下令停止追击，第三次战役至此结束。战役中共歼敌1．9万人，其中绝大部分是南朝鲜军。中朝军队伤亡仅0．85万人。