К концу сентября стало ясно, что северокорейские вооружённые силы разгромлены, и что занятие всей территории Корейского полуострова американо-южнокорейскими войсками является лишь вопросом времени. В этих условиях на протяжении первой недели октября продолжались активные консультации между руководством СССР и КНР. В конце концов было принято решение отправить в Корею части китайской армии. Подготовка к подобному варианту велась ещё с конца весны 1950 года, когда Сталин и Ким Ир Сен поставили Мао в известность о готовящемся нападении на Южную Корею.

Руководство КНР публично заявляло, что Китай вступит в войну, если какие-либо некорейские военные силы пересекут 38-ю параллель. В начале октября соответствующее предупреждение было передано в ООН через посла Индии в Китае. Однако президент Трумэн не верил в возможность широкомасштабного китайского вмешательства, заявляя, что китайские предупреждения являются лишь «попытками шантажировать ООН».

Уже на следующий день после того, как 8 октября 1950 года американские войска пересекли границу Северной Кореи, Председатель Мао приказал китайской армии подойти к реке Ялуцзян и быть готовой форсировать её. «Если мы позволим США оккупировать весь Корейский полуостров […], мы должны быть готовы к тому, что они объявят войну Китаю», — говорил он Сталину. Премьер Чжоу Эньлай (кит. 周恩來) был срочно послан в Москву для донесения соображений Мао советскому руководству. Мао в ожидании помощи от Сталина отложил дату вступления в войну на несколько дней, с 13 октября на 19 октября.

Однако СССР ограничился поддержкой с воздуха, причём советские МиГ-15 не должны были подлетать к линии фронта ближе чем на 100 км. Советские самолёты МиГ-15 одерживали верх над американскими F-80. В ответ США перебросили в зону конфликта более современные F-86. Об оказываемой СССР военной помощи в США было хорошо известно, однако во избежание международного ядерного конфликта никаких ответных мер со стороны американцев не следовало.

15 октября 1950 года Трумэн отправился на атолл Уэйк для обсуждения возможности китайской интервенции и мер для ограничения масштабов Корейской войны. Там генерал Макартур убеждал президента Трумэна, что «если китайцы попытаются войти в Пхеньян, там будет большая рубка».

Китай больше не мог ждать. К середине октября вопрос о вступлении китайских сил в войну был решён и согласован с Москвой. Наступление 270-тысячной китайской армии под командованием генерала Пэн Дэхуая (кит. 彭德懷) началось 25 октября 1950 года. Пользуясь эффектом неожиданности, китайская армия смяла оборону войск ООН, однако затем отошла в горы. 8-я американская армия вынуждена была занять оборону вдоль южного берега реки Ханган. Войска ООН, несмотря на этот удар, продолжили наступление в сторону реки Ялуцзян. При этом, во избежание формальных конфликтов, действовавшие в Корее китайские части именовались «китайскими народными добровольцами».

В конце ноября китайцы начали второе наступление. Чтобы выманить американцев из прочных оборонительных позиций между Ханганом и Пхеньяном, Пэн дал приказ своим подразделениям имитировать панику. 24 ноября Макартур направил дивизии Юга прямо в ловушку. Обойдя войска ООН с запада, китайцы окружили их 420-тысячной армией и нанесли фланговый удар по 8-й американской армии. На востоке в битве у Чхосинского водохранилища (26 ноября — 13 декабря) был разбит полк 7-й пехотной дивизии США.

Зимнее наступление северной коалиции (ноябрь 1950 — январь 1951 года)

На северо-востоке Кореи силы ООН отступили к городу Хыннам, где, построив оборонительную линию, приступили к эвакуации в декабре 1950 года. Около 100 тысяч человек военных и столько же мирного населения Северной Кореи было погружено на военные и торговые суда и успешно переправлено в Южную Корею.

4 января 1951 года КНДР в союзе с Китаем захватили Сеул. 8-я армия США и 10-й корпус были вынуждены отступить. Погибшего в автокатастрофе генерала Уокера сменил генерал-лейтенант Мэтью Риджуэй, который во время Второй мировой командовал воздушно-десантными войсками. Риджуэй сразу же взялся за укрепление морального и боевого духа своих солдат, однако ситуация для американцев была настолько критичной, что командование всерьёз подумывало об использовании ядерного оружия.

Остановив наступление войск Северной Кореи и китайских добровольцев, американское командование приняло решение о контрнаступлении. Ему предшествовали локальные операции «Охота на волков» (20-е числа января), «Гром» (началась 25 января) и «Окружение». В результате операции, начавшейся 21 февраля 1951 года, войскам ООН удалось значительно отодвинуть китайскую армию на север, за реку Хань. Главная роль отводилась авиации и артиллерии. Метод Риджуэйя, использованный в ходе контрнаступления, впоследствии получил название «мясорубка» или «перемалывание живой силы противника».

Наконец, 7 марта был отдан приказ о начале операции «Потрошитель». Было выбрано два направления контрнаступления в центральной части линии фронта. Операция развивалась успешно, и в середине марта войска южной коалиции форсировали реку Ханган и заняли Сеул. Однако 22 апреля войска Севера предприняли своё контрнаступление. Один удар был нанесён на западном секторе фронта, а два вспомогательных — в центре и на востоке. Они прорвали линию войск ООН, расчленили американские силы на изолированные группировки и устремились к Сеулу. На направлении главного удара оказалась занимавшая позицию по реке Имджинган 29-я британская бригада. Потеряв в сражении более четверти личного состава, бригада была вынуждена отступить. Всего в ходе наступления с 22 по 29 апреля было ранено и взято в плен до 20 тысяч солдат и офицеров американских и южнокорейских войск. Потери китайских сил составили свыше 70 тысяч человек.

11 апреля 1951 года по распоряжению Трумэна генерал Макартур был отстранён от командования войсками. Тому было несколько причин, включавших встречу Макартура с Чан Кайши на дипломатическом уровне и недостоверные сведения о численности китайских войск возле корейской границы, переданные им Трумэну на атолле Уэйк. Кроме того, Макартур открыто настаивал на ядерном ударе по Китаю, несмотря на нежелание Трумэна распространять войну с территории Корейского полуострова и возможность ядерного конфликта с СССР. Трумэн был не в восторге от того, что Макартур берёт на себя полномочия, которые принадлежат Верховному Главнокомандующему, коим являлся сам Трумэн. Военная элита всецело поддержала президента. Макартура сменил бывший командующий 8-й армией генерал Риджуэй, новым командующим 8-й армией стал генерал-лейтенант Ван Флит.

16 мая началось очередное наступление войск северной коалиции, довольно безуспешное. Оно было остановлено 21 мая, после чего войска ООН предприняли полномасштабное наступление по всему фронту. Армия Севера была отброшена за 38-ю параллель. Развивать успех южная коалиция не стала, ограничившись выходом на рубежи, занимаемые ей после операции «Потрошитель».

Американский историк и ветеран Корейской войны Бевин Александер так описывал тактику китайских войск в своей книге «Как выигрывают войны»:

У китайцев не было авиации, только винтовки, пулемёты, ручные гранаты и миномёты. Против гораздо более хорошо укомплектованной американской армии они использовали ту же тактику, которую применяли против националистов во время гражданской войны 1946—1949 годов. Китайцы нападали преимущественно ночью, причём выбирали военные формирования поменьше — роту или взвод — после чего атаковали, используя численное превосходство. Обычно нападавшие разделялись на несколько частей численностью 50—200 человек: пока одна часть нападавших отрезала пути отступления, другие согласованными усилиями атаковали с фронта и флангов. Атаки продолжались до тех пор, пока защищавшиеся не были разбиты или пленены. Затем китайцы перемещались на открытый фланг ближе к следующему взводу и повторяли свою тактику.