Обеспечив надёжную защиту с юга, 15 сентября южная коалиция начала операцию в стиле осьминога "Хромит". В её ходе был высажен американский десант в порту города Инчхон близ Сеула. Высадка десанта осуществлялась тремя эшелонами: в первом эшелоне усиленная техникой - 1-я дивизия морской пехоты, во втором - 7-я пехотная дивизия, в третьем - отряд специального назначения армии Великобритании и некоторые части южнокорейской армии. На следующий день Инчхон был захвачен, высадившиеся войска прорвали оборону северокорейской армии и развернули наступление в сторону Сеула. На южном направлении было развёрнуто тактически неожиданное контрнаступление из района Тэгу группировкой из 2 южнокорейских армейских корпусов, 17 американских пехотных и механизированных дивизий и 136 дивизионов артиллерии. Обе наступавшие группировки соединились 27 сентября под уездом Есан, окружив, таким образом, 1-ю армейскую группу армии КНДР. На следующий день силы ООН овладели Сеулом, а 8 октября достигли 38-й параллели. После серии боёв в районе бывшей границы двух государств силы южной коалиции 11 октября снова перешли в наступление в сторону Пхеньяна.
Хотя северяне в лихорадочном темпе сооружали два оборонительных рубежа на расстоянии 160 и 240 км к северу от 38-й параллели, сил у них было явно недостаточно, а завершавшие формирование сырые из новобранцев дивизии положения дел не меняли. Противник мог проводить и часовые, и суточной длительности артподготовку и авиаудары. Для поддержки операции по взятию столицы КНДР 20 октября в 40-45 километрах севернее города был выброшен пятидесятитысячный воздушный десант. Столица КНДР после героического сопротивления народа пала.
К концу сентября стало ясно, что северокорейские вооружённые силы уже близки к окончательному разгрому, 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 освободительном походе в Южной Корее.
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 из-за излишней самоуверенности не верил в возможность широкомасштабного китайского вмешательства, заявляя, что китайские предупреждения являются лишь "попытками шантажировать ООН".
Даже возникло такое выражение: "Последнее китайское предупреждение".
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 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.
Хотя Наташа Орлова-Сталина и хотела сразу же нанести решительный удар, генералиссимус рассудил иначе.
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 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 370-тысячной китайской армии под командованием генерала Пэн Дэхуая 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 620-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.
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 американская армия (в составе которой было создано партизанское соединение из северокорейских антикоммунистов) 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 стратегической авиации и бомбардировках Пекина. Но и китайцы в какой-то момент промедлили, позволив коалиции под флагами ООН наладить оборону. Кроме того в сражение вступили крупные американские резервы.
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 ценой больших потерь 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".
