4月22日黃昏，志願軍和人民軍各突出集團按照計畫，向「聯合國軍」發起全線反擊，敵我雙方投入兵力最大的一次戰役打響了。
戰役發起後，志願軍第40軍在軍長溫玉成、政治委員袁昇平指揮下動作迅猛，一夜之間打亂了南朝鮮第6師在白雲山以東的部署，佔領敵第一線主陣地。接著，他們兵分兩路，向敵縱深猛插。第118師354團參謀長劉玉珠，率領第3營，沿途擊破敵軍五次阻擊，前進30多公里，於23日中午提前到達加平東北沐洞里。為了全局的勝利，他們又與數倍於己的美、英軍展開激戰，阻止了敵軍西援。至25日，第40軍共殲敵2200餘人，勝利完成了的割裂「聯合國軍」的任務。
第39軍經過激戰，將美陸戰第1師攔阻在北漢江以東地區，使其不能西援。
左翼宋時輪第9兵團突破後發展較為順利，殲滅美第25、第24師和南朝鮮第6師各一部。25日，主力進佔抱川東和東北地區。
右翼楊得志第19兵團掃清臨津江西岸之敵後，於23日凌晨先後突破臨津江。擔任向議政府方向迂迴任務的第64軍，突破後受阻，未完成迂迴切斷敵軍後路的任務。但該軍第190師偵察支隊和第569團第3營組成的先遣支隊，在二十小時內突破敵軍七次攔擊，插入敵縱深25公里，於24日下午佔領議政府西南的道峰山，並堅守陣地三天四夜，成為插在敵人心臟的一把尖刀。
志願軍第63軍第187、第188師冒著敵人的炮火，不顧江水刺骨的嚴寒，渡過臨津江，在第65軍一個師的配合下，迅速攻佔英第29旅一線防禦陣地，並打退敵多次反撲。第188師第564團第7連兩個班頑強堅守一座高地，最後只剩下戰士陳三一個人。他獨身一人頑強作戰，打退了200餘人的三次反撲，斃傷敵八十餘人，守住了陣地。傅崇碧率領軍前進指揮所隨第187師過江後，令第189師從第187師突破口進入戰鬥，向縱深發展，協同第187師殲滅英第29旅，向後向議政府方向地進攻，斷美第3師的退路。
第63軍第187師第561團勇猛穿插，越過15公里崎嶇的山路，粉碎敵人數次攔阻，奪占臨津江南岸敵縱深第一個制高點、也是敵在雪馬里地域防禦的要點——紺岳山，將英第29旅和美第3師的聯繫切斷。佔領紺岳山之後，第187師調整部署，增加穿插兵力。師長徐信率精幹的指揮小組隨第561團行動。
第561團第1營向紺岳山西南的沙器幕方向滲透，將紺岳山西北雪馬里地區守敵的退路切斷。該營第2連6班戰鬥小組長劉光子在沙器幕山樑搜索前進時，發現山溝里擠了不少敵人。劉光子渾身是膽，隻身一人繞到敵人後面，利用岩頭的掩護，突然用衝鋒槍掃射，又甩出一個手雷，趁煙霧迅速沖向敵群，大喊一聲「繳槍不殺」。敵人被突如其來的槍彈聲和喊聲所震懾，嚇得暈頭轉向，乖乖繳槍投降。後來，排長派人向後方押送俘虜途中，遇美機轟炸，俘虜死傷逃散了一部分，最後清點，還剩下六十三人。劉光子創造了一人俘虜六十三個英國兵的奇蹟，榮立一等功，獲二級孤膽英雄稱號。第187師文工隊梁立、呂合、權泊濤將根據劉光子的事迹創造了大鼓《孤膽英雄劉光子》。
4月23日15時，第187師第二梯隊第560團奉命加入戰鬥，在第559團和第561團的協同下，攻殲被包圍於紺岳山西北雪馬里地區的英第29旅格洛斯特營。
被圍的英第29旅格洛斯特營和配屬的皇家炮兵第70連、第170迫擊炮連C排和部分坦克分隊共1000餘人。該營是英軍有150年歷史的王牌部隊。在1801年英國遠征埃及的殖民戰爭中，因反敗為勝，被英皇特授「皇家陸軍」字樣帽徽，從此該營官兵都佩帶有兩枚帽徽，被稱為「皇家陸軍雙徽營」。
24日拂曉，雪馬里圍殲戰打響。第187師以第560團主力前後夾攻，攻佔雪馬里以北的高地。被圍英軍遺棄重裝備，在縱深炮火的支援下，在晨霧中向南突圍，遇到第560團第1營的截擊，英軍被迫縮回雪馬里及235高地。志願軍進一步縮小包圍圈。
「聯合國軍」總司令李奇微急忙飛到朝鮮前線，組織救援。英第29旅派出菲律賓加強營，美第3師派出兩個營並加強一個坦克營第一個炮兵營，在航空兵的支援下，分別由東向西救援；南朝鮮第1師第12團在一個重坦克連引導下，由西向東救援，均被志願軍第187師第561、第559團和第189師第566團頑強阻擋。
25日8時，擔負主攻任務的第560團發起最後攻擊，全殲被圍之敵。
雪馬里圍殲戰，志願軍第187師全殲英軍第29旅格洛斯特營及配屬部隊，共斃傷俘敵580餘人，繳獲坦克十八輛、火炮二十六門、汽車四十八台。英軍該營被殲在英國軍政當局引起了巨大震動，並增加了美英之間的矛盾。
中路王近山指揮的第3兵團突破後，在漣川周圍地區遭到美第3師、土耳其旅的抵抗。第60軍一舉突破土耳其旅和防線，切斷了其與美第25師的聯繫。第15軍和第12軍在突破後各殲敵一部。到25日夜，第3兵團部隊奪佔了漣川以南哨城裡、鍾懸山和寶藏山地區。
在志願軍和人民軍的強大反擊下，「聯合國軍」地面部隊依靠空中掩護和現代化的運輸裝備，迅速後撤，企圖到二線陣地繼續抵抗。志願軍和人民軍繼續發展進攻，於26日攻佔了敵在錦屏山——縣裡——加平一線設置的第二線陣地。
4月29日，志願軍和人民軍逼近漢城，一部前出至漢城近郊北嶽山。根據中朝聯合司令部的命令，部隊停止進攻，第一階段作戰結束。這一階段作戰，殲敵23000餘人，將「聯合國軍」和南朝鮮軍從三八線趕至漢城東西一線地區，奪回戰場主動權。