１９５１年１月下旬，当中朝军队正转入休整，准备两个月后再发动春季攻势之际，以美国为首的“联合国军”展开了反攻。中国人民志愿军和朝鲜人民军为制止敌人攻势，争取时间等待后续兵团到达，以进行反击准备，在“三八线”南北地区进行了第四次战役。
第三次战役后，我军按照计划转入休整。此时，我军经三次战役的胜利，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，我军减员很大，兵员没有得到补充，而且第９兵团尚在元山、咸兴一带休整。我军第一线兵力只有志愿军六个军二十一万余人，人民军三个军团七万余人，而敌人有二十三万余人（美军７个师、韩军８个师、英军２个旅），我仅略占优势。同时，随战线南移，我军运输线已长达五百五十公里至七百公里，在敌机狂轰烂炸下粮弹物资补给十分困难。
“联合国军”在中朝人民军队连续打击下，丢失汉城退至三十七度线附近地区，内部愈加混乱，失败情绪愈加严重。为挽回颓势，保住美国在远东的军事力量，美国在国内大力扩军备战，在战场上加紧作战准备，从美国本土和其他地区迅速抽调大批老兵补充在朝部队。同时美国操纵联合国大会第一委员会通过所谓“立即安排停火”的“五步方案”。
美国依仗其雄厚的经济实力和迅速的运输手段，对在朝军队进行了补充。１月１５日，敌军为消耗疲惫我军，查明我军情况，开始采用“磁性战术”（始终与同我保持接触,以消耗战制约我军的一种战术）在水原和利川间实施试探性进攻。此时敌人已发现中朝人民军队粮弹物资补给困难，同时发觉我军第一线兵力不足。
在这种情况下，敌人为了晚会其失败影响，缓和内部矛盾，积极准备实施反扑，企图夺回汉城，将中朝军队压回”三八线“以北。
１月２５日，美军第８集团军司令马修·李奇微指挥美军第１、第９、第１０军和韩军第１、第３军团共１６个师又３个旅、１个空降团，计２３万余人,由西至东逐步在全线发起大规模进攻。同时，针对志愿军迂回穿插的传统战术，改变过去只沿公路冒进的战法，采取互相靠拢、齐头并进、稳扎稳打的战术。
战役开始后，志愿军确定“西顶东放”的战略部署，以一部兵力在西线顶住向汉城攻击之敌，集中主力于东线，待敌深入后对西线之敌进行迂回包抄，从而一举粉碎敌人进攻。如反击受挫，就放弃三八线以南地区，待战略预备队到达后再举行下一次进攻战役。
敌进攻开始后，我西线第３８军和第５０军负责在汉江南岸一线阻击向汉城进攻的美第１军。在天寒地冻、粮弹供应困难、工程器材异常缺乏的条件下，我志愿军依托一般野战工事，顽强坚守阵地，每一要点都要和敌人反复争夺，使敌付出重大代价。汉江南岸阻击战进行了２０余天，是志愿军战史上最艰苦的防御战之一。我志愿军也从防御作战中吸取教训，在前沿对部队实行疏散配置，火炮也进行分散隐蔽，并总结了“兵力配置前轻后重，火力配置前重后轻”的原则，同时对白天失去的阵地，夜间再以反击夺回。
美第１军经过１４天进攻，只前进了１８公里，并付出重大伤亡。２月１０日占领人民军主动放弃的仁川，但汉江南岸阵地仍在我志愿军坚守之下。２月中旬，汉江已经开始解冻，为避免背水作战，第５０军和第３８军一部才于２月１８日前全部撤至汉江以北。
敌军于１月３１日开始，集中８个师开始东线的攻势。美第２师和韩第５、第８师分向砥平里和横城方向发起进攻。志愿军邓集团和人民军金集团各以一部兵力节节阻击，诱敌深入。至２月９日，韩军第３、第５、第８师和美２师一部已进至横城以北，形成突出。
按照预定计划，２月１１日１７时，中朝军队６个军（志愿军第３９、第４０、第４２、第６６及人民军第３、第５军团）开始战役反击，以迂回穿插战术，向突出之敌发起进攻。我军在夜间利用敌人间隙大胆穿插，给横城之敌以沉重打击。经激战，我军歼灭韩８师全部三个团、美２师一个营、美韩军四个炮兵营和韩第３、第５师各一部，共歼敌一万二千余人，其中俘虏７８００余人（大部分是韩军），是朝鲜战争中我军俘虏韩军最多的一次战斗。
横城反击战后，东线“联合国军”除在砥平里的部队驻守未动外，其余部队被迫后撤。志愿军于２月１３日乘胜向横城以西的砥平里发起攻击。
砥平里有美军第２师第２３团全部和１个法国营、１个炮兵营、１个坦克中队，共六千余人，并且构筑了较坚固的防御工事。１３日晚，邓集团以第３９、第４０、第４２军的８个团兵力发起进攻。由于事前对敌兵力和工事估计不足，仓促投入战斗，加之参加攻击的部队建制多，通信联络不畅，协同动作差，以致当夜仅歼敌一部，未能解决战斗。１４日，邓集团调整部署，以６个团再次进行攻击，并将“联合国军”压缩在不足２平方公里的狭小地区。但敌已形成据点式防御，兵力、火力集中，而且我军火炮稀少（只有十几门炮、数百发炮弹），仍未能将敌歼灭。１５日，敌增援部队到达，同时敌人在原州、武陵里一线形成了新的防御。我军向原州等方向发展攻势受阻。鉴于歼敌时机已失，志愿军遂于当晚停止进攻，逐步向北转移。至２月１６日，战役第一阶段结束。
２月１７日，中朝军队决定全线转入运动防御，准备争取两个月时间，集结兵力，改善交通运输,囤积作战物资，在“联合国军”深入后再行反击。防御部署是：第一梯队由西向东依次为人民军第１军团主力，愿军第５０、第３８、第４２、第６６军和人民军第５、第３、第２军团，共８个军(军团)，在西起汉江口，沿汉江北岸经杨平、中元山、横城、烽火山、酒峰至下珍富里一线展开，并要求在纵深２５～３０公里的防御地幅内抗击１个月。第二梯队为人民军第１军团１个师和志愿军第２６、第４０、第３９军共３个军１个师，在西起汶山里，经议政府、铸锦山、青雨山、座防山、洪川江北岸至洪川、丰岩里一线展开。
２月１９日，敌军首先在东线发动进攻。中朝人民军队在粮弹供应困难的条件下，依靠一般野战工事，节节抗击，迟滞敌人的进攻。敌人进展缓慢，至３月６日推进到杨平、横城、下松滨迄东海岸之江陵一线，始将东西战线拉平。美第９军军长布莱恩特·穆尔在指挥其部队进攻中，于２月２４日坠机身亡。
３月７日，西线敌军以５个军共１４个师３个旅又２个团的兵力，发动代号为“撕裂者行动”的大规模进攻，企图从中间突破，造成对汉城的迂回包围。我军坚持兵力配置“前轻后重”、火力配置“前重后轻”的原则，进行大规模机动防御作战，对敌节节抗击。
３月１４日，人民军第１军团主动放弃汉城。此时，我第３兵团（司令员兼政委陈赓）已集结于安东、凤城地区，准备立即入朝；第９兵团主力亦准备向金化、平康地区开进。我第一线部队８个军转入第二线休整，第２梯队３个军又一个师（第２６、第３９、第４０军和人民军第１９师团）接替了第一线运动防御的作战任务，并在阻击作战中给敌以大量杀伤。其中第２６军在３月２８日扼守七峰山、海龙山的战斗中，与敌反复争夺阵地１１次，杀伤敌人一千余名，并创造了一个班以反坦克手雷击毁敌坦克９辆的模范战例。
敌军发觉志愿军大批新锐部队到达，加上连续作战部队损伤严重，基本上停止了进攻。４月２１日，“联合国军”被阻止在开城、长湍、高浪浦里、文惠里、华川、杨口、元通里、杆城一线，我准备发动的战役反击即将开始，第四次战役遂告结束。
第四次战役此役历时８７天，歼敌７.８万余人，使敌人平均每天要付出九百人伤亡的代价，才前进１.３公里。中朝人民军队在艰难困苦的条件下胜利完成了防御任务，赢得时间，掩护了战略预备队的集结，为进行第五次战役创造了有利条件。此役，我军战斗减员五万三千多人，敌我伤亡对比１：０.６７。
