以美國為首的“聯合國軍”於9月15日在仁川港實施大規模登陸成功後，即暴露了越過“三八線”，以戰略的速決戰佔領全朝鮮的企圖。在此嚴峻形勢下，中國政府嚴正警告美國：如果美軍真要越過“三八線”，中國不能坐視不管。但是，“聯合國軍”認為中國的警告不過是虛聲恫嚇，在其總司令道格拉斯·麥克阿瑟的指揮下，以4個軍共10個師另1個旅1個空降團，共13萬餘人的兵力，於10月初分成3路越過“三八線”，並瘋狂地向北繼續推進。
10月10日，東路南朝鮮第1軍團佔領元山，17日占領咸興。 19日，中路南朝鮮第2軍團佔領陽德、成川；西路美軍第1軍佔領平壤。這時，麥克阿瑟更加得意忘形起來。他認為，朝鮮人民軍有組織的抵抗行動似乎已不復存在，平壤的陷落，“象徵著北朝鮮的徹底失敗”。叫囂在“感恩節”（是年為11月23日）前可以佔領全朝鮮，並立即命令“聯合國軍”和南朝鮮軍直向中朝邊境高速前進。
就在“聯合國軍”和南朝鮮軍佔領平壤的當天，中國人民志願軍首批入朝部隊4個軍及3個砲兵師、1個高射砲兵團在司令員兼政治委員彭德懷的率領下，分3路秘密渡過鴨綠江，按照中央軍委和毛澤東主席賦予的任務，預定在龜城、泰川、球場、德川、寧遠、五老裡一線利用有利地形組織防禦控制一定地區，制止敵人進攻，穩定局勢，掩護朝鮮人民軍北撤整頓。第40軍從安東（今丹東）過江，奔向球場、德川、寧遠；第39軍主力從安東過江，插向龜城、泰川，一部從長甸河口過江，進到枇峴、南市洞布防；第42軍由輯安（今集安）過江，向社倉裡、五老裡運動；第38軍尾隨第42軍過江，直奔江界。
志願軍指戰員一踏上朝鮮國土，即目睹硝煙籠罩的斷垣殘壁、流離失所的婦孺老幼，不少城鎮和鄉村已變成一片焦土，到處是被殺害的群眾屍體，無不為侵略者的累累暴行所激怒，求戰情緒更加高昂，紛紛表示：“朝鮮人民的災難是美帝國主義造成的。美國侵略者是朝鮮人民的大仇人，也是我們的大仇人。”“我們必須堅決消滅美國侵略軍，決不能讓它打到祖國去。”
“聯合國軍”和南朝鮮軍妄自強大，進展甚快。 10月20日，西線南朝鮮第2軍團進到順川、新倉、成川、破邑之線，距志願軍預定防禦地區只有90至130公里，東線南朝鮮第1軍團首都師佔領了五老裡、洪原，已經進到志願軍預定防禦地區。而志願軍才有5個師過江，只進到義州以東和朔州、滿浦以南，已不可能先敵到達預定防禦地區。但是，這時敵人尚未發覺志願軍入朝，還在放膽分路前進，兵力逐漸分散，中路南朝鮮軍3個師態勢突出，東西兩線部隊間敞開了80餘公里的缺口。這種形勢的出現，為志願軍利用敵人認為中國出兵可能性很小的判斷錯誤和分兵冒進的弱點，在運動中實施突然攻擊，各個殲滅敵人造成了有利條件。
據此，毛澤東審時度勢，當機立斷，於10月21日電示志願軍放棄原定組織防禦的計劃，改取在運動中殲敵的方針。他指示：此時是爭取出國第一個勝仗，開始轉變朝鮮戰局的極好機會。現在是爭取戰機問題，是在幾天之內完成戰役部署，以便幾天之後開始作戰問題，而不是先有一個時期部署防禦，然後再談攻擊的問題。接著，毛澤東又幾次電示：首戰一定要對準態勢突出而戰鬥力較弱的南朝鮮軍第2軍團。第一仗如不准備打東線南朝鮮軍，則以第42軍的1個師置於長津阻敵即夠，該軍主力則宜放在孟山以南，以便切斷元山、平壤間的鐵路線，牽制元山、平壤兩地之敵，使之不能北援，這樣即可集中3個主力軍，各個殲滅南朝鮮第2軍團之第6、第7、第8師。他還指示志願軍在打法上以利於主力插到敵人的後面和側面，全殲敵人為原則；要注意誘敵深入山地然後圍殲之。並反复叮囑，敵進甚急，捕捉戰機最關緊要，遲則恐來不及。
彭德懷堅決執行毛澤東的指示，立即集中第40軍集結於溫井以北、北鎮以東，待機攻殲南朝鮮第6師於溫井西北；第39軍集結於雲山西北，準備在第40軍圍殲南朝鮮第6師時，調動南朝鮮第1師東援，將南朝鮮第1師殲滅在雲山附近；第38軍並指揮第42軍第125師集結於熙川以北，準備殲滅南朝鮮第8師於熙川；命令第42軍主力於津以南黃草嶺、赴戰嶺阻敵北進，牽制東線之敵，配合西線作戰。同時，命令志願軍第60、第66軍入朝，以厚集兵力。
與此同時，志願軍政治部發布政治動員令，號召全體指戰員發揚勇敢頑強的戰鬥精神，保證首戰獲勝，轉變朝鮮戰局，為祖國爭光。廣大指戰員立即紛紛響應，精神抖擻，決心打好第一仗，讓敵人知道志願軍的雄風。
為了搞好志願軍的後勤保障工作，由東北軍區後勤部組建了前方後勤指揮所，下轄3個後勤分部、3個汽車團、4.5萬張床位的醫院和3萬多民工的擔架隊，並部署了長甸河口至北鎮、輯安至武坪里、臨江至長津3條縱向兵站線。
10月24日傍晚，志願軍第40軍正以兩路縱隊向溫井，雲山開進。其左路第118師進至北鎮西北梨川洞時，該師師長、政治委員得知彭德懷司令員在附近的大榆洞（此後一個時期，志願軍領導機關就設在此），立即前往晉見。彭司令員看到部隊上來了，非常高興，並指示；敵人已經越過寧邊，接近溫井，情況很緊急，你們把溫井一帶做個“口袋”，相機殲滅一部分敵人，打擊一下敵人的氣焰。我軍出國第一仗，一定要打好。
10月25日，西線“聯合國軍”和南朝鮮軍由於未遇到有力的抵抗，便頭腦昏昏，已經以師甚至以團或營為單位分兵冒進，先後進至博川、龍山洞、雲山、溫井、檜木洞、熙川一線，逼近志願軍第40軍部隊；其先頭部隊南朝鮮第6師第7團已進至古場洞並繼續向鴨綠江邊之楚山前進。 25日凌晨，進至北鎮東南的志願軍第118師，奉命採取同敵預期遭遇的姿態佔領溫井以北兩水洞至豐下洞東北側高地，準備伏擊從溫井向北鎮進犯之敵；進至雲山以北的第120師也奉命以其第360團進占雲山東側的玉女峰等高地，準備堅決阻擊從雲山嚮溫井北犯之敵。 7時許，南朝鮮第1師先頭部隊，以坦克為先導，氣勢洶洶地沿雲山至溫井公路北進至志願軍第120師第360團陣地前，該團指戰員突然開火，敵人猝不及防，遭一頓痛擊後落荒逃回雲山。
10時許，南朝鮮第6師第2團第3營及一個砲兵連乘汽車由溫井迅速向北鎮方向開進。其前衛進到兩水洞，後衛進到豐下洞以北時，志願軍第118師第354團指戰員以攔頭、截尾、斬腰的戰法，向敵發起突然而猛烈的攻擊，經一陣激戰，立即分路沖向公路，將敵分割成3段。這時第353團的兩個營迅即從第354團右翼出擊，配合第354團戰鬥。這股敵人遭此突然打擊，嚇得懵頭轉向，頓時亂作一團，火砲未及開架，彈藥未及開箱，即被全殲，隨隊的1名美國顧問也當了俘虜。志願軍一開戰就打了一個非常漂亮的殲滅戰。那時候，志願軍戰士高喊“交槍不殺，寬待俘虜”，但南朝鮮官兵卻聽不懂，只顧往汽車底下鑽。志願軍戰士只好把他們從汽車底下拖出來。當彭司令員知道這個情況後，即通令全軍都要學會幾句英語和朝鮮語的戰場喊話，爭取多捉俘虜。
縮回雲山的南朝鮮第1師先頭部隊經整頓後又發起進攻，企圖搶占有利地形，掩護主力繼續前進。志願軍第120師第360團堅決阻擊，戰鬥十分激烈。該團3連班長石寶山在子彈已打完，陣地可能被敵突入的情況下，毅然抱起兩個爆破筒撲向敵群，與20多個敵人同歸於盡。戰士們高喊著“為石寶山報仇！”端起刺刀，舉起石頭，打退了敵人。第2連副班長秦永發炸毀敵坦克1輛。他是志願軍第一個用爆破筒炸毀敵坦克的，榮獲反坦克英雄稱號。第5連在打退敵人第五次沖擊後，機槍全被打壞，大部彈藥已消耗，先後有4位同志代理連長職務，仍然堅持戰鬥。當第1、第3排只剩下12人時，他們推舉杜書生統一指揮，連續打退了敵人，守住了陣地。
當夜，志願軍第118師、第120師各以兩個團乘勝攻占了溫井，並殲敵一部。
志願軍在玉女峰、兩水洞及溫井所進行的戰鬥，揭開了抗美援朝戰爭的序幕。
鑑於敵軍過於分散，志願軍企圖一仗聚殲敵兩三個師也很困難，彭德懷臨機應變，果斷決定從25日開始以軍和師分途殲敵1個團或2個團，求得在第一次戰役中以數個戰鬥殲滅敵軍一兩個師，制止敵亂竄，穩定人心。毛澤東主席當即復電指出，彭德懷司令員提出的分途殲敵“這個方針是正確的”。
26日，“聯合國軍”和南朝鮮軍不甘罷休，仍在分兵冒進。南朝鮮第6師第7團一個營已竄至鴨綠江邊的楚山，並悍然砲擊中國邊境，該師主力遭打擊後退至球場至熙川間，南朝鮮第8師主力由德川經球場進到熙川；南朝鮮第1師主力進到雲山；美第24師、英第27旅進到龍山洞、博川。為了抓住戰機，實現分途殲滅冒進之敵的決心，志願軍領導人命令第40軍第118師從溫井北上，第50軍第148師從輯安西進，會殲古場、楚山之敵；第38軍並指揮第42軍第125師與第40軍主力攻殲集中在熙川南朝鮮第6師一部和第8師2個團；第39軍攻殲南朝鮮第1師於雲山，第66軍、第50軍主力由新義州南移，保證側後安全。
26日晚，志願軍第40、第39、第38軍分別向熙川、雲山前進。南朝鮮第6師為接援遠離主力的第7團，也向溫井方向移動。次日，志願軍第40、第39軍各一部與南朝鮮第6、第1師各一部在溫井以東、以南形成對峙，第38軍距熙川尚有60公里。志願軍領導人遂改變打熙川的計劃，命令第38、第39、第40軍主力待敵再進時，將其聚殲於雲山以北、溫井以東，以打開戰局。
28日晚，志願軍第40軍主力奉命對溫井之敵發起攻擊，經一夜激戰，將南朝鮮第6、第8師各兩個營大部殲滅。 29日傍晚，該軍第118師又將從楚山回竄的南朝鮮第6師第7團大部殲滅於古場洞、柳良洞、龍谷洞地區，使這些砲擊我國領土的罪犯得到了應有的懲罰。與此同時，第38軍已進占熙川，守敵南朝鮮第8師已棄城倉惶南逃。第39軍從東北、西北、西南3個方向對雲山之南朝鮮第1師構成了包圍。
這時，“聯合國軍”雖已發覺志願軍入朝參戰，但認為中國是“象徵性的出兵”，少數中國志願軍到朝鮮也不可能給他們造成任何威脅。因此，麥克阿瑟一面調整部署，用美軍代替敗下陣來的南朝鮮軍，一面繼續分兵向朝中邊境冒進。仍在在感恩節以前佔領全朝鮮的美夢。
10月31日，西線美第24師進到泰川、龜城，並繼續向朔州前進；英第27旅進到定州、宣川，並繼續向新義州前進；美騎兵第1師從平壤前調到雲山及其西南的龍山洞，增援南朝鮮第1師。南朝鮮第1師主力撤到寧邊，在雲山留下1個團；南朝鮮第8、第7師則分別退守球場、德川等地。美第2師由平壤北調安州，作為美第8集團軍預備隊。
“聯合國軍”這樣調整部署，雖然增加了清川江北兵力，但仍處於分散狀態，利於志願軍各個擊破。這時，志願軍在西線的部隊已全部到齊，兵力居於優勢，可集中10至12個師約15萬人作戰。據此，彭德懷司令員決定採取向敵後實施迂迴，結合正面突擊的戰法，割斷其南北聯繫，集中兵力，將敵各個殲滅於清川江以北。命令第38軍迅速殲滅球場之敵，爾後沿清川江左岸向院裡、軍隅里、新安州方向突擊，切斷敵軍退路；第42軍第125師向德川突擊；並佔領該地阻敵增援；第40軍以主力包圍寧邊南朝鮮第1師主力並相機殲滅之，得手後繼續向南發展，切斷龍山洞之敵退路；第39軍攻殲雲山之敵，得手後準備協同第40軍圍殲龍山洞之美騎兵第1師；第66軍以一部於龜城以西牽制美第24師，軍主力視情從敵側後突擊，殲滅該敵；第50軍（10月25日奉中央軍委命令入朝）主力進到新義州東南，防敵西進，保衛新義州。
11月1日黃昏，西線志願軍各軍根據上述命令對敵發起進攻。
第39軍於下午5時對雲山之敵發起進攻。這時，雲山已由美騎兵第1師第8團換防。擔任正面攻擊任務的第116師以兩個團在砲火的支援下發起衝擊，沿途遇美軍一部頑強阻擊，經激烈戰鬥，於23時攻占雲山西北的龍浦洞、262.8高地，逼近雲山。攻進中，他們發現打的不是南朝鮮軍，而是美軍，頓時戰鬥情緒倍增。第347團第2連戰士張生在敵人一個機槍陣地擋住衝擊道路時，他繞到敵機槍陣地，將敵射手和機槍一起推下懸崖，為連隊沖擊打開了通路。第5連青年學生出身的副政治指導員顧仁柏，在連隊幹部負傷時，及時整頓組織，帶頭衝擊，連續攻占幾個山頭，圓滿完成任務。這兩位同志榮立一等功，榮獲戰鬥英雄稱號。師預備隊第246團奉命加入戰鬥後，該團尖刀第4連大膽機智，迅速從敵間隙直插雲山，一舉突入雲山街內。當進到美軍一個營指揮所時，連長一聲令下，全連一齊開火，打得美軍措手不及，當即將敵營長羅伯特·奧蒙德少校炸死，指揮所被搗毀。該連又立即佔領附近公路大橋，攔截了滿載敵人的十餘輛汽車，斃敵70餘人、俘敵8人，擊毀敵坦克1輛，有力地配合主力部隊相繼攻入街里，殲滅了敵人。激戰至2日3時，第116師佔領雲山後，即以1個團繼續向雲山東南上九洞方向攻擊，在飛機場繳獲4架敵機、坦克、汽車60餘輛，斃俘敵100餘人。第117師從東北方向雲山以東的三巨裡進攻，圍殲南朝鮮第1師第12團一部，於2日凌晨與第116師會合。從雲山西南方向進攻並擔任斷敵退路任務的第115師主力，於2日拂曉在雲山以南諸仁橋截住並包圍了從雲山撤退的美騎兵第8團直屬隊和第3營共700餘人。 2、3兩日，被圍之敵在飛機、坦克支援下，多次拼命突圍，均未得逞。 3日晚第115師乘被圍之敵疲憊絕望之際，發起猛烈進攻，將其全殲。雲山戰鬥是中、美兩軍第一次直接交鋒，志願軍首次以劣勢裝備殲滅了具有現代化裝備的美騎兵第1師第8團大部，共斃傷俘美軍1800餘人。美軍騎兵第1師這個在華盛頓時代建立的開國“元勳師”在雲山的慘敗，震動了白宮。杜魯門的女兒後來寫道：在朝鮮開始發生驚人事件，第八騎兵團幾乎潰不成軍。
在取得云山大捷的同時，志願軍在西線的其他部隊也連戰告捷。第40軍11月1、日晚直指寧邊，殲滅南朝鮮第8師、美騎兵第1師的砲兵各一部，2日逼近寧邊。第38軍於11月1日攻占球場後，主力隨即沿清川江左岸攻擊前進。 2日占領院裡，構成了對西線敵軍側後的很大威脅。第66軍11月1日進到龜城近郊，阻擊與牽制了美第24師。第50軍同日晚由安東過江，進至新義州以南，準備阻擊竄至南市洞的英第27旅。
11月3日，西線敵軍在志願軍的連續突擊下，特別是其側後受到威脅的情況下，深恐後路被切斷，對其不利，開始向清川江以南實施全線後撤。志願軍為不讓敵人撤逃，採取多種辦法，千方百計想拖住敵人。終因次日天雨，徒步追擊行動困難，使敵軍得以乘車逃脫。至此，在西線戰場敵除以少數兵力扼守清川江北岸灘頭陣地阻擊志願軍進攻外，主力部隊均退逃至清川江以南。志願軍總部鑑於殲敵機會已失及其它考慮，遂命令西線各軍於11月5日停止進攻，結束第一次戰役。
在西線敵軍猖狂北犯的同時，東線敵軍也分路向江界和圖們江邊推進。為保障西線主力作戰，阻敵不得西援，志願軍第42軍主力在東線的兩個師，在朝鮮人民軍一部協同下，從10月25日開始，以英勇頑強的戰鬥精神分別在黃草嶺、赴戰嶺地區，與北進的南朝鮮首都師、第3師和美軍陸戰第1師展開猛烈的戰鬥。經幾天激戰，志願軍糧彈消耗殆盡，傷員不斷增加，處境十分困難。在這種情況下，指戰員們抱著與陣地共存亡的革命精神，堅決與敵人戰鬥到底的決心，以草根當食糧，用石塊作武器，一次又一次地打退了敵人在飛機、大砲、坦克支援下的兇猛進攻。經13晝夜苦戰，殲敵2700餘人，終於製止住了敵人的進攻，守住了陣地，粉碎了敵人迂迴江界的企圖，有力地配合了西線志願軍作戰，為整個戰役的勝利作出重要貢獻。
第一次戰役，中國人民志願軍與朝鮮人民軍英勇奮戰，共殲滅敵人1.5萬餘人，粉碎了敵人感恩節前佔領全朝鮮的企圖，並將敵人從鴨綠江邊趕到了清川江以南，取得了初戰勝利，初步穩定了朝鮮戰局，並取得了同美軍作戰的初步經驗，增強了以劣勢裝備戰勝優勢裝備的敵人的勝利信心，為爾後作戰創造了有利條件。