年12月4日，中朝军队成立了联合指挥部，朝鲜人民军经过整编和和恢复，已经有三个兵团可以投入战斗了。为了打过三八线，粉碎美国试图利用停战来为自己谋求喘息之机的阴谋，中朝军队毅然发动了第三次战役。
12月27日，志愿军38、39、40、42、50、66六个军和朝鲜人民军第一、第二、第五兵团共计三十万人开拔，秘密进入指定的进攻位置。28日，人民军第二、第五军团从敌人防守的空隙渗透了进去。31日拂晓，中朝三十万大军已经埋伏在距离其防线不超过一公里的地带。凭借大雪和森林的掩护，以及中朝军队的高度保密，这三十万大军的行动居然完全避开了美军的侦察机。
第三次战役示意图31日黄昏，政党防线中的联合国军士兵正准备用红酒和牛肉汤庆祝新年的到来之时，突然，志愿军的三百多门火炮和朝鲜人民军的六十多门火炮发出怒吼，对敌人阵地进行了20分钟的炮击。火炮引爆了敌人阵地上的地雷，进而导致了敌军弹药库殉爆。整个大地都在颤抖。
火炮准备结束后，志愿军跨过冰封的临津江，向敌军阵地发起冲锋。驻守防线的韩军急忙用迫击炮轰炸河面以破坏冰层，我军不少将士不慎掉入冰窟，有的人挣扎过后爬了出来，冒着刺骨的寒冷继续发动冲锋；有的战士掉下去却再也没能上来。我军将士舍生忘死，39军不到十五分钟就强渡临津江，与防线上的韩军展开白刃战，韩军怯战，立马开始溃败，而与此同时，渗透到防线侧后方的朝鲜人民军也配合志愿军发动了攻击，不到三个小时，韩军负责的第一道防线就被撕开了无数个口子。38军在打了一夜，在拂晓居然碰到了本应防守第二道防线的美军，原开始韩国军队望风而逃，志愿军不知不觉就打到了美军门口。至此，志愿军打过了三八线！
志愿军将士强渡临津江李奇微试图在第二道防线组织防守，但是一方面，溃逃的韩军将第二道防线冲得七零八落，另一方面，朝鲜人民军配合游击队不断骚扰美军后方，因此，1月2日，李奇微命令联合国军全线撤退。
为了打开汉城的大门，彭德怀命令39军派部队占领釜谷里。负责占领釜谷里的团团长接到的情报是驻守在该地的只有一个韩军师，可事实上这里却驻扎着参加过诺曼底登陆的英军精锐：皇家来复枪团。团的七连虽然趁敌不备率先拿下了釜谷里，但是很快就遭到了英军的攻击。7连面对十倍于己的敌人毫无惧色，一天之内击退英军进攻数十次，然而7连也伤亡惨重，副连长、指导员和所有排长全部阵亡。之后英军再次进攻，虽然7连又打退了英军的全部进攻，但是所有的指挥员全部牺牲，全连只剩17人，连长也身负重伤。连长眼看自己即将牺牲，便将指挥权交给了司号员郑起。次日，经过一天激战，17人中仅剩7人幸存，但是英军始终没能前进一步！英军再次试图抢夺阵地，郑起眼看弹尽粮绝，便吹响冲锋号，准备用仅剩的炸药包与英军同归于尽，英军听到冲锋号声，错认为我军要发反冲锋，居然吓得不战而退。恰逢此时，我军大部队赶到，重创了英皇家来复枪团，歼灭其一个营和一个坦克中队。
郑起吓退敌人的军号现保存在军事博物馆1月4日，志愿军50军占领汉城，这是自甲午战争之后，中国军队第一次打进外国首都。之后我军继续追击敌人，将战线推至三七线一带。
1月5日，汉城和平壤两座朝鲜半岛上最重要的城市同时响起了门礼炮的轰鸣，庆祝中朝军队取得的巨大战果，得知志愿军占领汉城，社会主义国家阵营和国内群众都陷入了一片欢腾，很多人认为不出三个月就能解放全朝鲜，解放台湾也不在话下。
中朝将士庆祝解放汉城然而辉煌的胜利背后却有着不小的隐患：志愿军将士入朝以来连续作战，已经疲惫不堪，部分部队减员甚至高达三分之一！我军补给线终日受到美军轰炸，而朝鲜却十分贫瘠，我军解放战争时期就地筹粮的政策在朝鲜水土不服，战士常常在饥饿的状态下作战，甚至有不少战士因为缺乏维生素而患上了夜盲症、口腔溃疡。且第三次战役敌人虽伤亡超过两万人，但是主要是韩军，美军并未遭到重大打击。因此，彭德怀于1月8日叫停了攻击，各部队就地展开防守和休整。第三次战役结束。