以美國為首的「聯合國軍」於9月15日在仁川港實施大規模登陸成功後，即暴露了越過「三八線」，以戰略的速決戰佔領全朝鮮的企圖。在此嚴峻形勢下，中國政府嚴正警告美國：如果美軍真要越過「三八線」，中國不能坐視不管。但是，「聯合國軍」認為中國的警告不過是虛聲恫嚇，在其總司令道格拉斯·麥克阿瑟的指揮下，以4個軍共10個師另1個旅1個空降團，共13萬餘人的兵力，於10月初分成3路越過「三八線」，並瘋狂地向北繼續推進。
10月10日，東路南朝鮮第1軍團佔領元山，17日佔領咸興。19日，中路南朝鮮第2軍團佔領陽德、成川；西路美軍第1軍佔領平壤。這時，麥克阿瑟更加得意忘形起來。他認為，朝鮮人民軍有組織的抵抗行動似乎已不復存在，平壤的陷落，「象徵著北朝鮮的徹底失敗」。叫囂在「感恩節」（是年為11月23日）前可以佔領全朝鮮，並立即命令「聯合國軍」和南朝鮮軍直向中朝邊境高速前進。
就在「聯合國軍」和南朝鮮軍佔領平壤的當天，中國人民志願軍首批入朝部隊4個軍及3個炮兵師、1個高射炮兵團在司令員兼政治委員彭德懷的率領下，分3路秘密渡過鴨綠江，按照中央軍委和毛澤東主席賦予的任務，預定在龜城、泰川、球場、德川、寧遠、五老里一線利用有利地形組織防禦控制一定地區，制止敵人進攻，穩定局勢，掩護朝鮮人民軍北撤整頓。第40軍從安東（今丹東）過江，奔向球場、德川、寧遠；第39軍主力從安東過江，插向龜城、泰川，一部從長甸河口過江，進到枇峴、南市洞布防；第42軍由輯安（今集安）過江，向社倉里、五老里運動；第38軍尾隨第42軍過江，直奔江界。
志願軍指戰員一踏上朝鮮國土，即目睹硝煙籠罩的斷垣殘壁、流離失所的婦孺老幼，不少城鎮和鄉村已變成一片焦土，到處是被殺害的群眾屍體，無不為侵略者的累累暴行所激怒，求戰情緒更加高昂，紛紛表示：「朝鮮人民的災難是美帝國主義造成的。美國侵略者是朝鮮人民的大仇人，也是我們的大仇人。」「我們必須堅決消滅美國侵略軍，決不能讓它打到祖國去。」
「聯合國軍」和南朝鮮軍妄自強大，進展甚快。10月20日，西線南朝鮮第2軍團進到順川、新倉、成川、破邑之線，距志願軍預定防禦地區只有90至130公里，東線南朝鮮第1軍團首都師佔領了五老里、洪原，已經進到志願軍預定防禦地區。而志願軍才有5個師過江，只進到義州以東和朔州、滿浦以南，已不可能先敵到達預定防禦地區。但是，這時敵人尚未發覺志願軍入朝，還在放膽分路前進，兵力逐漸分散，中路南朝鮮軍3個師態勢突出，東西兩線部隊間敞開了80餘公里的缺口。這種形勢的出現，為志願軍利用敵人認為中國出兵可能性很小的判斷錯誤和分兵冒進的弱點，在運動中實施突然攻擊，各個殲滅敵人造成了有利條件。
據此，毛澤東審時度勢，當機立斷，於10月21日電示志願軍放棄原定組織防禦的計畫，改取在運動中殲敵的方針。他指示：此時是爭取出國第一個勝仗，開始轉變朝鮮戰局的極好機會。現在是爭取戰機問題，是在幾天之內完成戰役部署，以便幾天之後開始作戰問題，而不是先有一個時期部署防禦，然後再談攻擊的問題。接著，毛澤東又幾次電示：首戰一定要對準態勢突出而戰鬥力較弱的南朝鮮軍第2軍團。第一仗如不準備打東線南朝鮮軍，則以第42軍的1個師置於長津阻敵即夠，該軍主力則宜放在孟山以南，以便切斷元山、平壤間的鐵路線，牽制元山、平壤兩地之敵，使之不能北援，這樣即可集中3個主力軍，各個殲滅南朝鮮第2軍團之第6、第7、第8師。他還指示志願軍在打法上以利於主力插到敵人的後面和側面，全殲敵人為原則；要注意誘敵深入山地然後圍殲之。並反覆叮囑，敵進甚急，捕捉戰機最關緊要，遲則恐來不及。
彭德懷堅決執行毛澤東的指示，立即集中第40軍集結於溫井以北、北鎮以東，待機攻殲南朝鮮第6師於溫井西北；第39軍集結於雲山西北，準備在第40軍圍殲南朝鮮第6師時，調動南朝鮮第1師東援，將南朝鮮第1師殲滅在雲山附近；第38軍並指揮第42軍第125師集結於熙川以北，準備殲滅南朝鮮第8師於熙川；命令第42軍主力於津以南黃草嶺、赴戰嶺阻敵北進，牽制東線之敵，配合西線作戰。同時，命令志願軍第60、第66軍入朝，以厚集兵力。
與此同時，志願軍政治部發布政治動員令，號召全體指戰員發揚勇敢頑強的戰鬥精神，保證首戰獲勝，轉變朝鮮戰局，為祖國爭光。廣大指戰員立即紛紛響應，精神抖擻，決心打好第一仗，讓敵人知道志願軍的雄風。
為了搞好志願軍的後勤保障工作，由東北軍區後勤部組建了前方後勤指揮所，下轄3個後勤分部、3個汽車團、4.5萬張床位的醫院和3萬多民工的擔架隊，並部署了長甸河口至北鎮、輯安至武坪里、臨江至長津3條縱向兵站線。
10月24日傍晚，志願軍第40軍正以兩路縱隊向溫井，雲山開進。其左路第118師進至北鎮西北梨川洞時，該師師長、政治委員得知彭德懷司令員在附近的大榆洞（此後一個時期，志願軍領導機關就設在此），立即前往晉見。彭司令員看到部隊上來了，非常高興，並指示；敵人已經越過寧邊，接近溫井，情況很緊急，你們把溫井一帶做個「口袋」，相機殲滅一部分敵人，打擊一下敵人的氣焰。我軍出國第一仗，一定要打好。
10月25日，西線「聯合國軍」和南朝鮮軍由於未遇到有力的抵抗，便頭腦昏昏，已經以師甚至以團或營為單位分兵冒進，先後進至博川、龍山洞、雲山、溫井、檜木洞、熙川一線，逼近志願軍第40軍部隊；其先頭部隊南朝鮮第6師第7團已進至古場洞並繼續向鴨綠江邊之楚山前進。25日凌晨，進至北鎮東南的志願軍第118師，奉命採取同敵預期遭遇的姿態佔領溫井以北兩水洞至豐下洞東北側高地，準備伏擊從溫井向北鎮進犯之敵；進至雲山以北的第120師也奉命以其第360團進佔雲山東側的玉女峰等高地，準備堅決阻擊從雲山向溫井北犯之敵。7時許，南朝鮮第1師先頭部隊，以坦克為先導，氣勢洶洶地沿雲山至溫井公路北進至志願軍第120師第360團陣地前，該團指戰員突然開火，敵人猝不及防，遭一頓痛擊後落荒逃回雲山。
10時許，南朝鮮第6師第2團第3營及一個炮兵連乘汽車由溫井迅速向北鎮方向開進。其前衛進到兩水洞，後衛進到豐下洞以北時，志願軍第118師第354團指戰員以攔頭、截尾、斬腰的戰法，向敵發起突然而猛烈的攻擊，經一陣激戰，立即分路沖向公路，將敵分割成3段。這時第353團的兩個營迅即從第354團右翼出擊，配合第354團戰鬥。這股敵人遭此突然打擊，嚇得懵頭轉向，頓時亂作一團，火炮未及開架，彈藥未及開箱，即被全殲，隨隊的1名美國顧問也當了俘虜。志願軍一開戰就打了一個非常漂亮的殲滅戰。那時候，志願軍戰士高喊「交槍不殺，寬待俘虜」，但南朝鮮官兵卻聽不懂，只顧往汽車底下鑽。志願軍戰士只好把他們從汽車底下拖出來。當彭司令員知道這個情況後，即通令全軍都要學會幾句英語和朝鮮語的戰場喊話，爭取多捉俘虜。
縮回雲山的南朝鮮第1師先頭部隊經整頓後又發起進攻，企圖搶佔有利地形，掩護主力繼續前進。志願軍第120師第360團堅決阻擊，戰鬥十分激烈。該團3連班長石寶山在子彈已打完，陣地可能被敵突入的情況下，毅然抱起兩個爆破筒撲向敵群，與20多個敵人同歸於盡。戰士們高喊著「為石寶山報仇！」端起刺刀，舉起石頭，打退了敵人。第2連副班長秦永發炸毀敵坦克1輛。他是志願軍第一個用爆破筒炸毀敵坦克的，榮獲反坦克英雄稱號。第5連在打退敵人第五次衝擊後，機槍全被打壞，大部彈藥已消耗，先後有4位同志代理連長職務，仍然堅持戰鬥。當第1、第3排只剩下12人時，他們推舉杜書生統一指揮，連續打退了敵人，守住了陣地。
當夜，志願軍第118師、第120師各以兩個團乘勝攻佔了溫井，並殲敵一部。
志願軍在玉女峰、兩水洞及溫井所進行的戰鬥，揭開了抗美援朝戰爭的序幕。
鑒於敵軍過於分散，志願軍企圖一仗聚殲敵兩三個師也很困難，彭德懷臨機應變，果斷決定從25日開始以軍和師分途殲敵1個團或2個團，求得在第一次戰役中以數個戰鬥殲滅敵軍一兩個師，制止敵亂竄，穩定人心。毛澤東主席當即複電指出，彭德懷司令員提出的分途殲敵「這個方針是正確的」。
26日，「聯合國軍」和南朝鮮軍不甘罷休，仍在分兵冒進。南朝鮮第6師第7團一個營已竄至鴨綠江邊的楚山，並悍然炮擊中國邊境，該師主力遭打擊後退至球場至熙川間，南朝鮮第8師主力由德川經球場進到熙川；南朝鮮第1師主力進到雲山；美第24師、英第27旅進到龍山洞、博川。為了抓住戰機，實現分途殲滅冒進