10月25日晚，彭德怀根据敌人兵力分散且尚未判明中国军队是否入朝的情况，又决意改变作战方案，给毛泽东去电说：“敌以坦克数辆和汽车十数辆组成一(个)支队到处乱窜，我企图一仗聚歼两三个师甚困难，亦再难保守秘密。故决定以军和师分途歼灭敌之一个团和两个团(今晚已开始)，求得在第一战役的数个战斗中歼灭敌一两个师，停止敌乱窜，稳定人心……”毛泽东翌日复电，完全赞成彭德怀“分途歼敌”的方针。
麦克阿瑟对南朝鲜第六师五百多人在温井以北被歼一事置若罔闻，对李承晚一再吃惊的喊叫已遇到中国军队的呼声也满不在乎。仍令其第一线主力部队十余万人继续向鸭绿江推进，要按原定计划在11月23日美国的“感恩节”前占领北朝鲜。后来担任美军第八集团军司令的李奇微，回忆当时东西两路敌军的情况道：“联合国军在沿着多条不同的路线朝鸭绿江前进时，他们无法相互支援，甚至无法保持地面联络。”
10月26日下午，彭德怀召开志愿军紧急党委会，讨论歼敌部署，他针对敌人进攻的特点说：“我军必须依据麦克阿瑟的战役企图，采取相应的对策。现在后梯队第五十军和六十六军已开始过江向指定路线前进，我们地面兵力已占绝对优势，关键是各军能否抓住战机和敢于大胆穿插围歼敌人。”会后，彭德怀指示参谋长解方再次电令各军避开主要道路，隐蔽开进，诱敌深入，分散敌人。主力隐蔽展开，占领有利地形待机歼敌。同时四十二军的两个师亦已奉命在黄草岭、赴战岭一线钳制东线之敌，配合西线作战。
10月31日，西线敌军分路向新义州和朔州方向进攻，先头部队进到距中朝边境仅30公里的大馆洞和南市洞一线。彭德怀迅即抓住战机，以三十八军断后，三十九军、四十军分歼云山、宁边之敌，新入朝的六十六军钳制美、英军队，对敌分割包围。
11月1日15时，志愿军各军、师遵照命令，对当面之敌发起围攻。三十九军提前发动攻击，经一夜激战，攻占了云山，歼灭美军骑一师第8团大部和南朝鲜军一部，缴获大批物资。志愿军与美军的第一次交锋，取得胜利。
在志愿军各军的连续突击下，敌人深恐后方交通被切断，遂于11月3日在大量飞机、火炮和坦克的掩护下全线撤退。彭德怀即令各军“采取一切办法迅速抓住敌人，不让敌人逃脱”，又命三十八军迅速向军隅里、新安州方向切断敌人与后方的联系。由于三十八军没有按时到达指定歼敌位置，敌人大部漏网逃走。11月4日，西线敌军除以小部兵力阻止志愿军进攻外，其主力全部撤至清川江以南。彭德怀对这次精心部署的歼敌方案没有完全实现大为恼怒，考虑到歼敌机会已失，部队所带粮弹消耗将尽，如渡过清川江追击，势必陷于不利态势；同时敌人主力未被歼灭，很可能再次发动进攻。为保持下一战役的主动，即于5日下令西线各军停止进攻，结束战役。
东线志愿军四十二军奉彭德怀之命，以两个师的兵力阻击“联合国军”的进攻。在咸兴以北之黄草岭凭险据守，敌军用几十架飞机和大量坦克配合，对四十二军阵地进行连续而猛烈的攻击，四十二军在朝鲜人民军的配合下，依托野战工事，与敌连续激战13个昼夜，歼敌2700余人，粉碎了敌人进犯江界的企图，有力地配合了西线的作战。彭德怀特电四十二军之一二四师全体指战员予以嘉奖。由于志愿军主力在西线反击作战已告结束，彭德怀命令该军于7日凌晨转移休整，准备再战。至此，中国人民志愿军和以美军为首的“联合国军”之间的第一次战役结束。
第一次战役是在朝鲜民主主义人民共和国极端危急、志愿军仓促入朝的情况下进行的。经过连续13个昼夜的战斗，志愿军获得初战胜利，计歼敌1.5万余人，把“联合国军”从鸭绿江边打回清川江以南，打破了麦克阿瑟在“感恩节”前占领全朝鲜的计划，稳定了朝鲜战局，志愿军也站稳了脚跟。
中国人民志愿军突然出现在朝鲜战场，给骄进之敌当头一棒，体现了毛泽东的英明决断和彭德怀高超的指挥艺术，也体现了志愿军敢于以劣势装备歼敌的英勇顽强的战斗作风。后来接替“联合国军”总司令的美军上将李奇微对此评论说：“中国部队很有效地隐蔽了自己的运动。他们采取夜间徒步运动的方式，在昼间则避开公路，利用隧道、矿井、丛林和村落进行隐蔽。每个士兵都能做到自给自足，携带由大米、豆类和玉米面做成的干粮，他们避免做饭的火光暴露自己的位置。因为中国人没有留下一点运动的痕迹，所以统帅部怀疑是否有中国的大部队存在是有一定道理的。”①李奇微又写道：“迅猛而突然的打击接踵而至，以致于很多部队还未能弄清楚究竟发生了什么事情就被打垮了。”美国的战史学家也对此评论说：“联合国军在同他们接触以前，一直没有发现他们。我们的飞机在上空搜寻时，伪装得十分巧妙的中国军队都隐蔽起来了。”这是毛泽东和彭德怀在部队渡江之前规定务必严格保密和伪装的效果。
