中国和韩国军队占领了首尔
第三次战役地图
第三次战役虽然歼灭两万多敌军，但并不是一场大量歼灭敌有生力量的战役，只是一次追击并占领大量领土的战役。联合国军经过休养，于1月25日开始向北反击，第四次战役爆发。
由于志愿军后勤落后，战士们携带的干粮足够支撑一周左右，之后攻势自然停止。这种现象被美国第八兵团司令李奇微称为“崇拜攻势”。经过一、二、三次战斗，连续作战的志愿军因疲劳进入休整，等待补给。但是美军对志愿军穿插包围的战术进行了调整，改为缓慢稳步地争夺各个地方的战术，没有给志愿军穿插和分割包围的机会。面对美军的凌厉攻势，中朝军队进入全面防御作战。
战役开始后，东西两线志愿军均在各自阵地上对美军进行阻击。西线志愿军在汉江南岸背水作战，坚持到2月7日。由于汉江开始解冻，南岸作战空间狭小，西线志愿军主力撤到汉江北岸进行防御。2月10日，联合国军占领仁川。与此同时，东线志愿军则继续诱敌深入。至2月9日，韩军和美军一部已进到砥平里、横城、下珍富里、江陵一线，其中，南朝鲜军第8、第5、第3师前进至横城以北约10公里，态势突出，翼侧暴露。
2月11日，志愿军对衡城发起反击，朝鲜军第8师被包围歼灭，其师逃脱。除了在迪平里的部队，美军和韩军在进攻受挫后向南撤退，志愿军在东线取得了小规模的优势。随后，2月13日，东线志愿军在迪平里向被围困的联合国军发起进攻。但是由于低估了他们的实力和防御工事，他们仓促应战，缺乏弹药，未能解决当晚的战斗。14日，联合国军被压缩在不到2平方公里的狭小区域，但仍未被歼灭。15日，当联合国增援部队到达时，志愿军被迫撤出包围圈，放弃工作。此战之后，志愿军和人民军坚持不住，开始逐步向北撤退。在东部部队反击的同时，第38志愿军始终坚持在汉江南岸吸引联合国军。地平里战役后，第38军向北渡过汉江，向北撤退。
美国支持韩国的155毫米自行火炮。朝鲜战争期间，联合国对中国和朝鲜的军事装备拥有绝对优势，火炮达到40对1。在第四次战役中，联合国军凭借其火力优势，一直对志愿军发挥着稳扎稳打的作用。
志愿军在第四次战役中阻击了联合国
在战役第一阶段，志愿军战果不大，战线后撤，补给困难，所以志愿军开始全面后撤，转入运动战。2月19日起，东线联合国军率先开始反击，但进展缓慢。3月6日，东西战线推平。3月14日，志愿军主动放弃汉城向北转移。在防御作战中，第26军在议政府铁原地区防御战斗中抗击美军第1军主力进攻，坚持38天，毙伤俘敌1万5千余人。美军在汶山里地区伞降了约4000人和少量坦克、火炮，企图切断正在向北转移的人民军一部的退路，没有成功。
2月底，第一野战军第十九兵团改为志愿军赴朝鲜作战，辖第63、64、65军。3月，第二野战军第三兵团改为志愿军，辖12军、15军、60军。4月，第四野战军第47军改为志愿军入朝。4月初，第二次战役后进入休整的第3、19兵团和第9兵团奔赴前线增援，第50军和第66军则回国休整。联合国发现三个志愿军的增援后，就停止了进攻。战线维持在三八线南北附近。战斗于4月21日结束。在历时87天的第四次战役中，联合国军将战线推回三八线，与此同时，他们每天也遭受近千人的伤亡。联合国损失了78 000人，而志愿人员伤亡了42 000人。
第四次战役的地图
第四次战役结束后，第3、9、19兵团补充到前线，加上前线的39、40军，共有11个军在前线。而38、42军则调至后方，与47军一道休整并抢修后方机场。志愿军计划在第五次战役期间挽回第四次战役的损失。
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