以美国为首的“联合国军”于9月15日在仁川港实施大规模登陆成功后，即暴露了越过“三八线”，以战略的速决战占领全朝鲜的企图。在此严峻形势下，中国政府严正警告美国：如果美军真要越过“三八线”，中国不能坐视不管。但是，“联合国军”认为中国的警告不过是虚声恫吓，在其总司令道格拉斯·麦克阿瑟的指挥下，以4个军共10个师另1个旅1个空降团，共13万余人的兵力，于10月初分成3路越过“三八线”，并疯狂地向北继续推进。
10月10日，东路南朝鲜第1军团占领元山，17日占领咸兴。19日，中路南朝鲜第2军团占领阳德、成川；西路美军第1军占领平壤。这时，麦克阿瑟更加得意忘形起来。他认为，朝鲜人民军有组织的抵抗行动似乎已不复存在，平壤的陷落，“象征着北朝鲜的彻底失败”。叫嚣在“感恩节”（是年为11月23日）前可以占领全朝鲜，并立即命令“联合国军”和南朝鲜军直向中朝边境高速前进。
就在“联合国军”和南朝鲜军占领平壤的当天，中国人民志愿军首批入朝部队4个军及3个炮兵师、1个高射炮兵团在司令员兼政治委员彭德怀的率领下，分3路秘密渡过鸭绿江，按照中央军委和毛泽东主席赋予的任务，预定在龟城、泰川、球场、德川、宁远、五老里一线利用有利地形组织防御控制一定地区，制止敌人进攻，稳定局势，掩护朝鲜人民军北撤整顿。第40军从安东（今丹东）过江，奔向球场、德川、宁远；第39军主力从安东过江，插向龟城、泰川，一部从长甸河口过江，进到枇岘、南市洞布防；第42军由辑安（今集安）过江，向社仓里、五老里运动；第38军尾随第42军过江，直奔江界。
志愿军指战员一踏上朝鲜国土，即目睹硝烟笼罩的断垣残壁、流离失所的妇孺老幼，不少城镇和乡村已变成一片焦土，到处是被杀害的群众尸体，无不为侵略者的累累暴行所激怒，求战情绪更加高昂，纷纷表示：“朝鲜人民的灾难是美帝国主义造成的。美国侵略者是朝鲜人民的大仇人，也是我们的大仇人。”“我们必须坚决消灭美国侵略军，决不能让它打到祖国去。”
“联合国军”和南朝鲜军妄自强大，进展甚快。10月20日，西线南朝鲜第2军团进到顺川、新仓、成川、破邑之线，距志愿军预定防御地区只有90至130公里，东线南朝鲜第1军团首都师占领了五老里、洪原，已经进到志愿军预定防御地区。而志愿军才有5个师过江，只进到义州以东和朔州、满浦以南，已不可能先敌到达预定防御地区。但是，这时敌人尚未发觉志愿军入朝，还在放胆分路前进，兵力逐渐分散，中路南朝鲜军3个师态势突出，东西两线部队间敞开了80余公里的缺口。这种形势的出现，为志愿军利用敌人认为中国出兵可能性很小的判断错误和分兵冒进的弱点，在运动中实施突然攻击，各个歼灭敌人造成了有利条件。
据此，毛泽东审时度势，当机立断，于10月21日电示志愿军放弃原定组织防御的计划，改取在运动中歼敌的方针。他指示：此时是争取出国第一个胜仗，开始转变朝鲜战局的极好机会。现在是争取战机问题，是在几天之内完成战役部署，以便几天之后开始作战问题，而不是先有一个时期部署防御，然后再谈攻击的问题。接着，毛泽东又几次电示：首战一定要对准态势突出而战斗力较弱的南朝鲜军第2军团。第一仗如不准备打东线南朝鲜军，则以第42军的1个师置于长津阻敌即够，该军主力则宜放在孟山以南，以便切断元山、平壤间的铁路线，牵制元山、平壤两地之敌，使之不能北援，这样即可集中3个主力军，各个歼灭南朝鲜第2军团之第6、第7、第8师。他还指示志愿军在打法上以利于主力插到敌人的后面和侧面，全歼敌人为原则；要注意诱敌深入山地然后围歼之。并反复叮嘱，敌进甚急，捕捉战机最关紧要，迟则恐来不及。
彭德怀坚决执行毛泽东的指示，立即集中第40军集结于温井以北、北镇以东，待机攻歼南朝鲜第6师于温井西北；第39军集结于云山西北，准备在第40军围歼南朝鲜第6师时，调动南朝鲜第1师东援，将南朝鲜第1师歼灭在云山附近；第38军并指挥第42军第125师集结于熙川以北，准备歼灭南朝鲜第8师于熙川；命令第42军主力于津以南黄草岭、赴战岭阻敌北进，牵制东线之敌，配合西线作战。同时，命令志愿军第60、第66军入朝，以厚集兵力。
与此同时，志愿军政治部发布政治动员令，号召全体指战员发扬勇敢顽强的战斗精神，保证首战获胜，转变朝鲜战局，为祖国争光。广大指战员立即纷纷响应，精神抖擞，决心打好第一仗，让敌人知道志愿军的雄风。
为了搞好志愿军的后勤保障工作，由东北军区后勤部组建了前方后勤指挥所，下辖3个后勤分部、3个汽车团、4.5万张床位的医院和3万多民工的担架队，并部署了长甸河口至北镇、辑安至武坪里、临江至长津3条纵向兵站线。
10月24日傍晚，志愿军第40军正以两路纵队向温井，云山开进。其左路第118师进至北镇西北梨川洞时，该师师长、政治委员得知彭德怀司令员在附近的大榆洞（此后一个时期，志愿军领导机关就设在此），立即前往晋见。彭司令员看到部队上来了，非常高兴，并指示；敌人已经越过宁边，接近温井，情况很紧急，你们把温井一带做个“口袋”，相机歼灭一部分敌人，打击一下敌人的气焰。我军出国第一仗，一定要打好。
10月25日，西线“联合国军”和南朝鲜军由于未遇到有力的抵抗，便头脑昏昏，已经以师甚至以团或营为单位分兵冒进，先后进至博川、龙山洞、云山、温井、桧木洞、熙川一线，逼近志愿军第40军部队；其先头部队南朝鲜第6师第7团已进至古场洞并继续向鸭绿江边之楚山前进。25日凌晨，进至北镇东南的志愿军第118师，奉命采取同敌预期遭遇的姿态占领温井以北两水洞至丰下洞东北侧高地，准备伏击从温井向北镇进犯之敌；进至云山以北的第120师也奉命以其第360团进占云山东侧的玉女峰等高地，准备坚决阻击从云山向温井北犯之敌。7时许，南朝鲜第1师先头部队，以坦克为先导，气势汹汹地沿云山至温井公路北进至志愿军第120师第360团阵地前，该团指战员突然开火，敌人猝不及防，遭一顿痛击后落荒逃回云山。
10时许，南朝鲜第6师第2团第3营及一个炮兵连乘汽车由温井迅速向北镇方向开进。其前卫进到两水洞，后卫进到丰下洞以北时，志愿军第118师第354团指战员以拦头、截尾、斩腰的战法，向敌发起突然而猛烈的攻击，经一阵激战，立即分路冲向公路，将敌分割成3段。这时第353团的两个营迅即从第354团右翼出击，配合第354团战斗。这股敌人遭此突然打击，吓得懵头转向，顿时乱作一团，火炮未及开架，弹药未及开箱，即被全歼，随队的1名美国顾问也当了俘虏。志愿军一开战就打了一个非常漂亮的歼灭战。那时候，志愿军战士高喊“交枪不杀，宽待俘虏”，但南朝鲜官兵却听不懂，只顾往汽车底下钻。志愿军战士只好把他们从汽车底下拖出来。当彭司令员知道这个情况后，即通令全军都要学会几句英语和朝鲜语的战场喊话，争取多捉俘虏。
缩回云山的南朝鲜第1师先头部队经整顿后又发起进攻，企图抢占有利地形，掩护主力继续前进。志愿军第120师第360团坚决阻击，战斗十分激烈。该团3连班长石宝山在子弹已打完，阵地可能被敌突入的情况下，毅然抱起两个爆破筒扑向敌群，与20多个敌人同归于尽。战士们高喊着“为石宝山报仇！”端起刺刀，举起石头，打退了敌人。第2连副班长秦永发炸毁敌坦克1辆。他是志愿军第一个用爆破筒炸毁敌坦克的，荣获反坦克英雄称号。第5连在打退敌人第五次冲击后，机枪全被打坏，大部弹药已消耗，先后有4位同志代理连长职务，仍然坚持战斗。当第1、第3排只剩下12人时，他们推举杜书生统一指挥，连续打退了敌人，守住了阵地。
当夜，志愿军第118师、第120师各以两个团乘胜攻占了温井，并歼敌一部。
志愿军在玉女峰、两水洞及温井所进行的战斗，揭开了抗美援朝战争的序幕。
鉴于敌军过于分散，志愿军企图一仗聚歼敌两三个师也很困难，彭德怀临机应变，果断决定从25日开始以军和师分途歼敌1个团或2个团，求得在第一次战役中以数个战斗歼灭敌军一两个师，制止敌乱窜，稳定人心。毛泽东主席当即复电指出，彭德怀司令员提出的分途歼敌“这个方针是正确的”。
26日，“联合国军”和南朝鲜军不甘罢休，仍在分兵冒进。南朝鲜第6师第7团一个营已窜至鸭绿江边的楚山，并悍然炮击中国边境，该师主力遭打击后退至球场至熙川间，南朝鲜第8师主力由德川经球场进到熙川；南朝鲜第1师主力进到云山；美第24师、英第27旅进到龙山洞、博川。为了抓住战机，实现分途歼灭冒进之敌的决心，志愿军领导人命令第40军第118师从温井北上，第50军第148师从辑安西进，会歼古场、楚山之敌；第38军并指挥第42军第125师与第40军主力攻歼集中在熙川南朝鲜第6师一部和第8师2个团；第39军攻歼南朝鲜第1师于云山，第66军、第50军主力由新义州南移，保证侧后安全。
26日晚，志愿军第40、第39、第38军分别向熙川、云山前进。南朝鲜第6师为接援远离主力的第7团，也向温井方向移动。次日，志愿军第40、第39军各一部与南朝鲜第6、第1师各一部在温井以东、以南形成对峙，第38军距熙川尚有60公里。志愿军领导人遂改变打熙川的计划，命令第38、第39、第40军主力待敌再进时，将其聚歼于云山以北、温井以东，以打开战局。
28日晚，志愿军第40军主力奉命对温井之敌发起攻击，经一夜激战，将南朝鲜第6、第8师各两个营大部歼灭。29日傍晚，该军第118师又将从楚山回窜的南朝鲜第6师第7团大部歼灭于古场洞、柳良洞、龙谷洞地区，使这些炮击我国领土的罪犯得到了应有的惩罚。与此同时，第38军已进占熙川，守敌南朝鲜第8师已弃城仓惶南逃。第39军从东北、西北、西南3个方向对云山之南朝鲜第1师构成了包围。
这时，“联合国军”虽已发觉志愿军入朝参战，但认为中国是“象征性的出兵”，少数中国志愿军到朝鲜也不可能给他们造成任何威胁。因此，麦克阿瑟一面调整部署，用美军代替败下阵来的南朝鲜军，一面继续分兵向朝中边境冒进。仍在在感恩节以前占领全朝鲜的美梦。
10月31日，西线美第24师进到泰川、龟城，并继续向朔州前进；英第27旅进到定州、宣川，并继续向新义州前进；美骑兵第1师从平壤前调到云山及其西南的龙山洞，增援南朝鲜第1师。南朝鲜第1师主力撤到宁边，在云山留下1个团；南朝鲜第8、第7师则分别退守球场、德川等地。美第2师由平壤北调安州，作为美第8集团军预备队。
“联合国军”这样调整部署，虽然增加了清川江北兵力，但仍处于分散状态，利于志愿军各个击破。这时，志愿军在西线的部队已全部到齐，兵力居于优势，可集中10至12个师约15万人作战。据此，彭德怀司令员决定采取向敌后实施迂回，结合正面突击的战法，割断其南北联系，集中兵力，将敌各个歼灭于清川江以北。命令第38军迅速歼灭球场之敌，尔后沿清川江左岸向院里、军隅里、新安州方向突击，切断敌军退路；第42军第125师向德川突击；并占领该地阻敌增援；第40军以主力包围宁边南朝鲜第1师主力并相机歼灭之，得手后继续向南发展，切断龙山洞之敌退路；第39军攻歼云山之敌，得手后准备协同第40军围歼龙山洞之美骑兵第1师；第66军以一部于龟城以西牵制美第24师，军主力视情从敌侧后突击，歼灭该敌；第50军（10月25日奉中央军委命令入朝）主力进到新义州东南，防敌西进，保卫新义州。
11月1日黄昏，西线志愿军各军根据上述命令对敌发起进攻。
第39军于下午5时对云山之敌发起进攻。这时，云山已由美骑兵第1师第8团换防。担任正面攻击任务的第116师以两个团在炮火的支援下发起冲击，沿途遇美军一部顽强阻击，经激烈战斗，于23时攻占云山西北的龙浦洞、262.8高地，逼近云山。攻进中，他们发现打的不是南朝鲜军，而是美军，顿时战斗情绪倍增。第347团第2连战士张生在敌人一个机枪阵地挡住冲击道路时，他绕到敌机枪阵地，将敌射手和机枪一起推下悬崖，为连队冲击打开了通路。第5连青年学生出身的副政治指导员顾仁柏，在连队干部负伤时，及时整顿组织，带头冲击，连续攻占几个山头，圆满完成任务。这两位同志荣立一等功，荣获战斗英雄称号。师预备队第246团奉命加入战斗后，该团尖刀第4连大胆机智，迅速从敌间隙直插云山，一举突入云山街内。当进到美军一个营指挥所时，连长一声令下，全连一齐开火，打得美军措手不及，当即将敌营长罗伯特·奥蒙德少校炸死，指挥所被捣毁。该连又立即占领附近公路大桥，拦截了满载敌人的十余辆汽车，毙敌70余人、俘敌8人，击毁敌坦克1辆，有力地配合主力部队相继攻入街里，歼灭了敌人。激战至2日3时，第116师占领云山后，即以1个团继续向云山东南上九洞方向攻击，在飞机场缴获4架敌机、坦克、汽车60余辆，毙俘敌100余人。第117师从东北方向云山以东的三巨里进攻，围歼南朝鲜第1师第12团一部，于2日凌晨与第116师会合。从云山西南方向进攻并担任断敌退路任务的第115师主力，于2日拂晓在云山以南诸仁桥截住并包围了从云山撤退的美骑兵第8团直属队和第3营共700余人。2、3两日，被围之敌在飞机、坦克支援下，多次拼命突围，均未得逞。3日晚第115师乘被围之敌疲惫绝望之际，发起猛烈进攻，将其全歼。云山战斗是中、美两军第一次直接交锋，志愿军首次以劣势装备歼灭了具有现代化装备的美骑兵第1师第8团大部，共毙伤俘美军1800余人。美军骑兵第1师这个在华盛顿时代建立的开国“元勋师”在云山的惨败，震动了白宫。杜鲁门的女儿后来写道：在朝鲜开始发生惊人事件，第八骑兵团几乎溃不成军。
在取得云山大捷的同时，志愿军在西线的其他部队也连战告捷。第40军11月1、日晚直指宁边，歼灭南朝鲜第8师、美骑兵第1师的炮兵各一部，2日逼近宁边。第38军于11月1日攻占球场后，主力随即沿清川江左岸攻击前进。2日占领院里，构成了对西线敌军侧后的很大威胁。第66军11月1日进到龟城近郊，阻击与牵制了美第24师。第50军同日晚由安东过江，进至新义州以南，准备阻击窜至南市洞的英第27旅。
11月3日，西线敌军在志愿军的连续突击下，特别是其侧后受到威胁的情况下，深恐后路被切断，对其不利，开始向清川江以南实施全线后撤。志愿军为不让敌人撤逃，采取多种办法，千方百计想拖住敌人。终因次日天雨，徒步追击行动困难，使敌军得以乘车逃脱。至此，在西线战场敌除以少数兵力扼守清川江北岸滩头阵地阻击志愿军进攻外，主力部队均退逃至清川江以南。志愿军总部鉴于歼敌机会已失及其它考虑，遂命令西线各军于11月5日停止进攻，结束第一次战役。
在西线敌军猖狂北犯的同时，东线敌军也分路向江界和图们江边推进。为保障西线主力作战，阻敌不得西援，志愿军第42军主力在东线的两个师，在朝鲜人民军一部协同下，从10月25日开始，以英勇顽强的战斗精神分别在黄草岭、赴战岭地区，与北进的南朝鲜首都师、第3师和美军陆战第1师展开猛烈的战斗。经几天激战，志愿军粮弹消耗殆尽，伤员不断增加，处境十分困难。在这种情况下，指战员们抱着与阵地共存亡的革命精神，坚决与敌人战斗到底的决心，以草根当食粮，用石块作武器，一次又一次地打退了敌人在飞机、大炮、坦克支援下的凶猛进攻。经13昼夜苦战，歼敌2700余人，终于制止住了敌人的进攻，守住了阵地，粉碎了敌人迂回江界的企图，有力地配合了西线志愿军作战，为整个战役的胜利作出重要贡献。
第一次战役，中国人民志愿军与朝鲜人民军英勇奋战，共歼灭敌人1.5万余人，粉碎了敌人感恩节前占领全朝鲜的企图，并将敌人从鸭绿江边赶到了清川江以南，取得了初战胜利，初步稳定了朝鲜战局，并取得了同美军作战的初步经验，增强了以劣势装备战胜优势装备的敌人的胜利信心，为尔后作战创造了有利条件。