1951年1月25日，美军第8集团军司令M.B.李奇微指挥美军第1、第9、第10军和南朝鲜军第1、第3军团共16个师又3个旅、1个空降团，计23万余人，由西至东逐步在全线发起大规模进攻。中国人民志愿军接连取得三次战役的胜利，士气高涨。但由于连续作战，部队十分疲劳，兵员未得补充，物资供应十分困难。因此，中国人民志愿军和朝鲜人民军从1951年1月8日起转入休整，计划两个月后发动春季攻势。当“联合国军”发起大规模攻势后，中国人民志愿军和朝鲜人民军于1月27日停止休整，转入防御作战。此时，志愿军第一线部队有6个军21万余人，人民军有3个军团7万余人。具体部署是：由志愿军副司令员韩先楚指挥第38、第50军和人民军第1军团（简称韩集团），在金浦、仁川及野牧里至骊州以北68千米地段上组织防御，抗击“联合国军”向汉城方向的进攻；由志愿军副司令员邓华指挥第39、第40、第42、第66军（简称邓集团），在人民军前线指挥部司令官金雄指挥的第2、第3、第5军团（简称金集团）配合下，在东线横城地区寻机实施反击。在西线，美军第1、第9军在野牧里至骊州地段先后发起进攻，每日均在大量坦克、飞机、火炮的支援下分多路轮番攻击。位于该线防御的韩集团，依托临时构筑的野战工事，顽强坚守每一要点，战斗异常激烈。在东线，“联合国军”集中8个师，从1951年1月31日起，从原州、武陵地区向砥平里、横城方向发起进攻。志愿军邓集团和人民军金集团各以一部兵力节节阻击，诱敌深入。2月11日17时，邓集团多路向横城以北之南朝鲜军发起反击。战至12日，将南朝鲜军第8师大部包围于下加云北山、鹤谷里和广田地区，经一天激战，将其3个团全部歼灭；人民军第3、第5军团在横城东北向釜洞里、花田里、铜山地区之敌发起攻击，歼灭南朝鲜军第3、第5师各一部，有力地配合了邓集团的反击作战。横城地区反击作战，共歼南朝鲜军和美军1.2万余人。随后，邓集团集中8个团于13日开始进攻砥平里的美军第23团（附法国营）。美军在大量坦克、火炮和援兵的支援下顽抗，志愿军误将预有防御准备之敌当作立足未稳之敌，未作充分准备，无充足火炮支援，协同不周，无法歼灭美军，于15日晚撤出战斗。在东线进行反击作战时，西线志愿军第38军和第50军1个团始终坚守在汉江以南，在非常困难的条件下，抗击“联合国军”连续进攻，有力地配合了东线反击作战。1951年2月17日，志愿军和人民军决定全线转入运动防御，准备以空间换取时间，在南起汉江北岸至横城一线、北至“三八线”一线地区，部署三道防线，每道防线力争坚守20～30天，共争取两个月的时间，掩护第二番作战部队开进集结和进行反击准备，待“联合国军”深入后再行新的反击。防御部署是：以人民军第1、第2、第3、第5军团和志愿军第38、第42、第50、第66军为第一梯队，在西起汉江口，向东沿汉江北岸经杨平、中元山、横城、烽火山、酒峰至下珍富里一线展开；第二梯队以志愿军第26、第40、第39军和人民军第1军团1个师，共3个军1个师，在西起汶山里，经议政府、铸锦山、青雨山、座防山、洪川江北岸至洪川、丰岩里一线展开。2月19日，“联合国军”首先在东线发动进攻，在志愿军和人民军的节节抗击下，进展缓慢，至3月6日推进到杨平、横城、下松滨迄东海岸之江陵一线，将东西战线拉平。7日，“联合国军”在西线以5个军共14个师又3个旅、2个团的兵力，再次发动进攻。志愿军和人民军采取兵力配置前轻后重，火力配系前重后轻的战术原则，实施宽正面、大纵深的运动防御。从10日起，按预定计划将第一梯队各军逐步向北转移，由第二梯队继续进行运动防御，14日晨主动撤离汉城。16日开始，“联合国军”继续采取“主力靠拢”“等齐发展”的战法向北推进，至23日进占高阳、议政府、加平、春川、瓦野里、注文津一线。志愿军和人民军采取重点设防、梯次配备、扼守要点、以点制面的部署，以阻击结合反击、伏击、袭击等各种手段，依托每一阵地，与进攻之敌进行逐山逐水的争夺，予敌以大量杀伤。战至3月31日，志愿军和人民军全线转移至“三八线”以北附近地区。4月15日，新入朝的志愿军第3、第19兵团分别进至“三八线”附近地区完成集结，原在元山地区休整的第9兵团也重返前线。“联合国军”发觉志愿军后续兵团到达，加上部队损伤严重，除在铁原、金化地区继续进攻外，在其他地区基本上停止了进攻。4月21日，志愿军将“联合国军”阻止在开城、长湍、高浪浦里、文惠里、华川、杨口、元通里、杆城一线，第四次战役遂告结束。