根據上述方針和部署，彭德懷於11月6日，即開始了誘敵深入的「造勢」行動。
為造成志願軍無力再戰的假象，志願軍東線第42軍兩個師，經頑強阻擊，與美軍2個團和南朝鮮軍1個師展開惡戰後，彭德懷令該兩師於7日零時放棄現陣地後撤，繼續節節阻擊誘敵，並掩護第9兵團主力由輯安、江界向長津湖地區開進。西線志願軍第38軍第112師，與南朝鮮軍和美軍共1個多師在飛虎山進行了激烈爭奪，吸引了敵軍後，彭德懷即令該師及在清川江及以西擔任誘敵的第40軍第119師、第39軍第117師，於9日、10日和11日主動放棄現陣地後撤，繼續誘敵。
美第8集團軍由於遭到志願軍第一次戰役的打擊，特別是對志願軍的兵力和部署情況不明，因此行動較為謹慎，加之，發動總攻勢的供應準備尚未完成，和準備參加「總攻勢」的美第9軍部隊尚未到達第一線，因此整個試探進攻，進展比較緩慢。至16日，僅向北推進9～16公里，距志願軍預定殲敵地區較遠。
彭德懷、鄧華等鑒於這種情況，為進一步造成敵軍錯覺，實現將敵軍誘至預定地區殲滅的目的，於16日中午和晚上兩次發出指示，指出：「我西線不後撤，東線之敵不敢冒進，即便我西線後撤，東線之敵亦有可能不進。」因此，命令誘敵各部從17日起停止向前出擊，繼續北撤，讓敵放膽前進。
從11月17日起，志願軍在東西兩線均與「聯合國軍」脫離了接觸，並製造一些「狼狽撤逃」的假象。同時，經報請毛澤東批准後，18日夜，志願軍在釋放103名戰俘時，除宣傳志願軍是正義之師和寬待俘虜的政策外，還向他們散布志願軍的糧彈供應困難，要撤回國內去，以迷惑敵軍。毛澤東在批准志願軍釋放戰俘時指出：「敵方對我實力還認為是六萬至七萬人，『並不是一個不可侮的勢力』，這點對我有利；美、英、法對我毫無辦法，悲觀情緒籠罩各國，只要我軍多打幾個勝仗，殲滅幾萬敵軍，整個國際局勢就會改觀。」
東京的麥克阿瑟和美國的華盛頓當局，果然為志願軍的後撤行動所迷惑，進一步產生錯覺。他們認為：志願軍是「怯戰退走」，估計在朝鮮的中共軍隊只有6萬～7萬人，並不是不可侮的勢力，這些軍隊沒有得到很好的補給，補給的困難和寒冷的天氣可能是他們撤退的原因。麥克阿瑟尤其相信，他的空中轟炸，會使鴨綠江以南的地區成為「一片焦土」。
麥克阿瑟終於上鉤了，從18日開始，西線美第8集團軍全線放膽向北推進，至21日，全部到達其預定的攻擊開始線。東線美第10軍指揮的美第7師先頭第17團1個營，於21日進至鴨綠江邊的惠山鎮，這是美軍到達中朝邊境的第一支也是唯一的一支部隊。麥克阿瑟為此給美第10軍軍長阿爾蒙德發電祝賀，阿爾蒙德並專程趕到惠山鎮，同一批軍官以惠山對岸的中國為背景照相留影，以顯示「勝利」。南朝鮮首都師和第3師仍在東海岸向圖們江推進中，美陸戰第1師已進至長津湖南岸的下碣隅里及以北地區，並準備繼續向江界方向推進，掩護西線第8集團軍進攻的右翼。至此，志願軍完成了預定的誘敵任務。
與此同時，其他準備工作也基本完成。
對第一次戰役的思想政治工作經驗、戰術經驗及美軍、南朝鮮軍的作戰特點進行了初步總結。根據現有條件研究防空、防寒和改善食宿的辦法，志願軍司令部於11月10日和11日，還專門發出指示，要求各部組織輕重機槍打擊低飛的敵機，通報了第124師和第112師第336團用步兵火器擊落敵機的情況，使部隊樹立了打贏下一戰役的信心。由志願軍統一部署，各部對當面敵情及敵後淺近縱深內的地形、道路等情況，進行了偵察，大體上摸清了當面敵軍兵力、番號和兵要地誌等情況。並與人民軍共同組織游擊支隊，深入敵軍戰役後方，進行游擊活動。
第9兵團11月7日開始從輯安、臨江等地渡過鴨綠江，隱蔽開進朝鮮。至21日前後，第20、第27軍先後到達東線長津湖東西及以北預定殲敵地區，第26軍也到達了指定的厚昌江口地區，完成了集結。
根據朝鮮境內鐵路基本被敵機炸毀，火車不通，國內汽車有限、在戰場上遭敵機轟炸損失嚴重等情況，中央軍委和東北軍區緊急動員200輛商用汽車和約600輛大車入朝，為志願軍運送了部分物資。志願軍統一部署各部在朝鮮向當地政府和群眾籌借部分糧食。部隊難以生火做飯，東北地區組織製作了炒麵，至11月底，國內送達前線第一批炒麵2000噸。
根據「聯合國軍」進展和志願軍準備情況，彭德懷、鄧華等於11月20日決定，西線於25日晚，東線於26日晚發起反擊（後第9兵團根據準備情況，於27日晚發起攻擊），並要求西線部隊於23日前完成反擊準備。
此時，「聯合國軍」在東西兩線進攻的部隊共13個師又3個旅和1個團，總兵力約25萬餘人（當時志願軍判斷為22萬餘人）。在西線進攻的部隊為8個師3個旅和1個團，其中美軍4個師和1個空降團、英軍2個旅、土耳其1個旅、南朝鮮軍4個師，統歸美第8集團軍指揮；在東線進攻的部隊為5個師，其中美軍3個師、南朝鮮軍2個師，統歸美第10軍指揮。東西兩線仍被狼林山脈阻隔。志願軍東西兩線作戰部隊共有9個軍（30個師）38萬餘人。西線為6個軍（18個師），由志願軍總部直接指揮；東線3個軍（12個師），由第9兵團指揮。志願軍以1.52：1佔有兵力優勢。
11月24日，麥克阿瑟下令發動了「總攻勢」，並公開向新聞界宣布了他的總攻計畫，他認為立即就可實現軍事佔領全朝鮮的目標了。然而，他高興得太早了。他萬萬沒有想到，彭德懷已經把他的部隊裝進了口袋。
「出其不意，攻其無備」，「善守者，藏於九地之下，善攻者，動於九天之上。」彭德懷的守和攻，都大大出乎麥克阿瑟的預料。志願軍按彭德懷的部署，將麥克阿瑟的部隊誘至預定地區後，西線於25日黃昏，按預定計畫突然發起了反擊。
彭德懷抓住麥克阿瑟西線進攻部署的薄弱環節，首先以第38、第42兩軍在第40軍一部的配合下，向美第8集團軍擔負右翼進攻的南朝鮮第2軍團的第7、第8兩師發起了反擊，並專派志願軍副司令員韓先楚具體指揮該兩軍作戰。經一晝夜作戰，將該兩師大部殲滅。打開了戰役反擊的缺口。
接著彭德懷命令在西線反擊的其他部隊，積極作戰，抓住當面之敵殲滅之。同時採取雙層戰役迂迴的部署，命令第38軍實施內層迂迴，以主力迅速西向位於清川江邊價川以南的軍隅里攻擊前進，以一部取捷徑向三所里前進，截斷進至清川江以北美第9軍的南撤退路，和阻擊平壤、順川之敵經此的北援。三所里位於價川、順川之間，是清川江以北美第9軍南撤，和平壤、順川美軍北援的必經之路；命令第42軍實施外層迂迴，西向順川、肅川插進，截斷在美第9軍以西向北進攻的美第1軍的南撤退路，以便我正面主力追擊和側擊潰逃之敵。
志願軍各部得令後，積極行動，正面第40、第39、第66、第50軍，向當面之敵展開攻擊，第38軍主力在向軍隅里前進途中，擊潰從價川急向德川增援的土耳其旅，第42軍主力在孟山西南的北倉里殲滅南朝鮮第6師一部，繼向西南方向前進。第38軍第113師，晝夜兼程，經14小時70餘公里的急行軍，於28日晨搶佔了三所里地區，在發現三所里以西1公里處的龍源里也是一條南北通道時，則派去1個團於當日下午搶先佔領，完全截斷了美第9軍南逃的退路。
根據戰場上的形勢，28日5時半，毛澤東致電彭德懷、鄧華、朴一禹、洪學智，祝賀志願軍殲滅南朝鮮第2軍團的大勝利。同時指出：
「目前任務是集中我四十二軍、三十八軍、四十軍、三十九軍殲滅美騎一師、第二師、第二十五師等三個師的主力。只要這三個師的主力殲滅了，整個局勢就很有利了。」「美騎一師（兩個團）正向德川、順川、成川之間調動，目的在鞏固成川、順川地區阻我南進。我四十二軍應獨立擔任殲滅該敵。」「美九軍團指揮之第二師、第二十五師，在球場、院里、軍隅、價川一帶，我三十八軍、四十軍、三十九軍應擔任攻殲該敵。這是很重要的一仗，令各軍努力執行之。」當日24時，毛澤東再次致電彭德懷等人，指出：「此次是我軍大舉殲敵根本解決朝鮮問題的極好時機，望你們鼓勵士氣，爭取大勝。」
彭德懷據此，當即令第38、第42軍迅速完成戰役迂迴任務，令第40、第39、第66、第50軍攻擊球場、軍隅里、寧邊地區之敵。至29日晨，志願軍已從北、東、南三面將美第9軍指揮的美第2師、第25師、土耳其旅全部和美騎兵第1師、南朝鮮第1師的各一部，包圍於價川附近的清川江南北地區。第42軍主力殲滅阻擊之敵1個營進至順川以東新倉里地區。麥克阿瑟在西線整個進