第一次战役分东西两线，西线志愿军以军、师为单位，边向前开进，边分头展开歼敌作战；东线则以阻击歼敌为主。这时，麦克阿瑟已发现有中国军队入朝，但错误地估计这只是象征性出兵，仍继续分兵冒进。10月31日，美军第24师、英军第27旅进至龟城、宜川地区，美骑兵第1师从平壤急驰云山为南朝鲜军解围。11月1日傍晚志愿军向云山之敌发起进攻，2日凌晨攻占云山。这是志愿军在朝鲜战场第一次与美军交锋，首战将号称美国“开国元勋师”的骑兵第1师第8团的大部歼灭，对“联合国军”的侧翼构成严重威胁。自3日起，西线“联合国军”开始全线撤退，志愿军乘胜追击，于5日将敌全部驱逐至清川江以南地区。在战役过程中，东线志愿军2个师及朝鲜人民军一部，在黄草岭、赴战岭地区顽强抗击“联合国军”的进攻达13个昼夜，达到预定战役目的。
志愿军入朝举行的第一次战役首战告捷，共歼敌1.5万余人，并首开一次歼灭高度现代化美军一个团大部的纪录，迫敌主力从鸭绿江边退至清川江以南地区。美方的评论承认：“美军与中共军队第一次灾难性的遭遇，导致了第8集团军的全面撤退。”这次战役粉碎了麦克阿瑟吹嘘在11月23日“感恩节”前占领全部朝鲜的计划，初步稳定了朝鲜战局，使志愿军在朝鲜站住脚跟，并取得了以劣势装备战胜优势装备之敌的初步经验。
大量中国正规部队突然出现在朝鲜战场上，令美国政府及“联合国军”总司令麦克阿瑟大吃一惊，但他们仍估计这不过是为保卫边防安全和鸭绿江上的电力设施，判断中国军队不敢也没有能力与美军较量。为此，麦克阿瑟立即从东京飞回朝鲜前线，调集二十二万余人的兵力，部署全面攻占北部朝鲜、于“圣诞节（12月25日）前结束战争”的总攻势。针对美方战略上的错误判断和恃强骄傲心理，毛泽东、彭德怀决定采取诱敌深入的方针，将敌诱至预定战场，尔后突然反击将其歼灭，把战线推进到平壤、元山一线。为此，志愿军以6个军的兵力担负西线作战任务，以新人朝参战的第9兵团担负东线作战任务。从11月7日起，志愿军在朝鲜人民军配合下，发起了反击“联合国军”攻势的第二次战役。
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