根据上述方针和部署，彭德怀于11月6日，即开始了诱敌深入的“造势”行动。
为造成志愿军无力再战的假象，志愿军东线第42军两个师，经顽强阻击，与美军2个团和南朝鲜军1个师展开恶战后，彭德怀令该两师于7日零时放弃现阵地后撤，继续节节阻击诱敌，并掩护第9兵团主力由辑安、江界向长津湖地区开进。西线志愿军第38军第112师，与南朝鲜军和美军共1个多师在飞虎山进行了激烈争夺，吸引了敌军后，彭德怀即令该师及在清川江及以西担任诱敌的第40军第119师、第39军第117师，于9日、10日和11日主动放弃现阵地后撤，继续诱敌。
美第8集团军由于遭到志愿军第一次战役的打击，特别是对志愿军的兵力和部署情况不明，因此行动较为谨慎，加之，发动总攻势的供应准备尚未完成，和准备参加“总攻势”的美第9军部队尚未到达第一线，因此整个试探进攻，进展比较缓慢。至16日，仅向北推进9～16公里，距志愿军预定歼敌地区较远。
彭德怀、邓华等鉴于这种情况，为进一步造成敌军错觉，实现将敌军诱至预定地区歼灭的目的，于16日中午和晚上两次发出指示，指出：“我西线不后撤，东线之敌不敢冒进，即便我西线后撤，东线之敌亦有可能不进。”因此，命令诱敌各部从17日起停止向前出击，继续北撤，让敌放胆前进。
从11月17日起，志愿军在东西两线均与“联合国军”脱离了接触，并制造一些“狼狈撤逃”的假象。同时，经报请毛泽东批准后，18日夜，志愿军在释放103名战俘时，除宣传志愿军是正义之师和宽待俘虏的政策外，还向他们散布志愿军的粮弹供应困难，要撤回国内去，以迷惑敌军。毛泽东在批准志愿军释放战俘时指出：“敌方对我实力还认为是六万至七万人，‘并不是一个不可侮的势力’，这点对我有利；美、英、法对我毫无办法，悲观情绪笼罩各国，只要我军多打几个胜仗，歼灭几万敌军，整个国际局势就会改观。”
东京的麦克阿瑟和美国的华盛顿当局，果然为志愿军的后撤行动所迷惑，进一步产生错觉。他们认为：志愿军是“怯战退走”，估计在朝鲜的中共军队只有6万～7万人，并不是不可侮的势力，这些军队没有得到很好的补给，补给的困难和寒冷的天气可能是他们撤退的原因。麦克阿瑟尤其相信，他的空中轰炸，会使鸭绿江以南的地区成为“一片焦土”。
麦克阿瑟终于上钩了，从18日开始，西线美第8集团军全线放胆向北推进，至21日，全部到达其预定的攻击开始线。东线美第10军指挥的美第7师先头第17团1个营，于21日进至鸭绿江边的惠山镇，这是美军到达中朝边境的第一支也是唯一的一支部队。麦克阿瑟为此给美第10军军长阿尔蒙德发电祝贺，阿尔蒙德并专程赶到惠山镇，同一批军官以惠山对岸的中国为背景照相留影，以显示“胜利”。南朝鲜首都师和第3师仍在东海岸向图们江推进中，美陆战第1师已进至长津湖南岸的下碣隅里及以北地区，并准备继续向江界方向推进，掩护西线第8集团军进攻的右翼。至此，志愿军完成了预定的诱敌任务。
与此同时，其他准备工作也基本完成。
对第一次战役的思想政治工作经验、战术经验及美军、南朝鲜军的作战特点进行了初步总结。根据现有条件研究防空、防寒和改善食宿的办法，志愿军司令部于11月10日和11日，还专门发出指示，要求各部组织轻重机枪打击低飞的敌机，通报了第124师和第112师第336团用步兵火器击落敌机的情况，使部队树立了打赢下一战役的信心。由志愿军统一部署，各部对当面敌情及敌后浅近纵深内的地形、道路等情况，进行了侦察，大体上摸清了当面敌军兵力、番号和兵要地志等情况。并与人民军共同组织游击支队，深入敌军战役后方，进行游击活动。
第9兵团11月7日开始从辑安、临江等地渡过鸭绿江，隐蔽开进朝鲜。至21日前后，第20、第27军先后到达东线长津湖东西及以北预定歼敌地区，第26军也到达了指定的厚昌江口地区，完成了集结。
根据朝鲜境内铁路基本被敌机炸毁，火车不通，国内汽车有限、在战场上遭敌机轰炸损失严重等情况，中央军委和东北军区紧急动员200辆商用汽车和约600辆大车入朝，为志愿军运送了部分物资。志愿军统一部署各部在朝鲜向当地政府和群众筹借部分粮食。部队难以生火做饭，东北地区组织制作了炒面，至11月底，国内送达前线第一批炒面2000吨。
根据“联合国军”进展和志愿军准备情况，彭德怀、邓华等于11月20日决定，西线于25日晚，东线于26日晚发起反击（后第9兵团根据准备情况，于27日晚发起攻击），并要求西线部队于23日前完成反击准备。
此时，“联合国军”在东西两线进攻的部队共13个师又3个旅和1个团，总兵力约25万余人（当时志愿军判断为22万余人）。在西线进攻的部队为8个师3个旅和1个团，其中美军4个师和1个空降团、英军2个旅、土耳其1个旅、南朝鲜军4个师，统归美第8集团军指挥；在东线进攻的部队为5个师，其中美军3个师、南朝鲜军2个师，统归美第10军指挥。东西两线仍被狼林山脉阻隔。志愿军东西两线作战部队共有9个军（30个师）38万余人。西线为6个军（18个师），由志愿军总部直接指挥；东线3个军（12个师），由第9兵团指挥。志愿军以1.52：1占有兵力优势。
11月24日，麦克阿瑟下令发动了“总攻势”，并公开向新闻界宣布了他的总攻计划，他认为立即就可实现军事占领全朝鲜的目标了。然而，他高兴得太早了。他万万没有想到，彭德怀已经把他的部队装进了口袋。
“出其不意，攻其无备”，“善守者，藏于九地之下，善攻者，动于九天之上。”彭德怀的守和攻，都大大出乎麦克阿瑟的预料。志愿军按彭德怀的部署，将麦克阿瑟的部队诱至预定地区后，西线于25日黄昏，按预定计划突然发起了反击。
彭德怀抓住麦克阿瑟西线进攻部署的薄弱环节，首先以第38、第42两军在第40军一部的配合下，向美第8集团军担负右翼进攻的南朝鲜第2军团的第7、第8两师发起了反击，并专派志愿军副司令员韩先楚具体指挥该两军作战。经一昼夜作战，将该两师大部歼灭。打开了战役反击的缺口。
接着彭德怀命令在西线反击的其他部队，积极作战，抓住当面之敌歼灭之。同时采取双层战役迂回的部署，命令第38军实施内层迂回，以主力迅速西向位于清川江边价川以南的军隅里攻击前进，以一部取捷径向三所里前进，截断进至清川江以北美第9军的南撤退路，和阻击平壤、顺川之敌经此的北援。三所里位于价川、顺川之间，是清川江以北美第9军南撤，和平壤、顺川美军北援的必经之路；命令第42军实施外层迂回，西向顺川、肃川插进，截断在美第9军以西向北进攻的美第1军的南撤退路，以便我正面主力追击和侧击溃逃之敌。
志愿军各部得令后，积极行动，正面第40、第39、第66、第50军，向当面之敌展开攻击，第38军主力在向军隅里前进途中，击溃从价川急向德川增援的土耳其旅，第42军主力在孟山西南的北仓里歼灭南朝鲜第6师一部，继向西南方向前进。第38军第113师，昼夜兼程，经14小时70余公里的急行军，于28日晨抢占了三所里地区，在发现三所里以西1公里处的龙源里也是一条南北通道时，则派去1个团于当日下午抢先占领，完全截断了美第9军南逃的退路。
根据战场上的形势，28日5时半，毛泽东致电彭德怀、邓华、朴一禹、洪学智，祝贺志愿军歼灭南朝鲜第2军团的大胜利。同时指出：
“目前任务是集中我四十二军、三十八军、四十军、三十九军歼灭美骑一师、第二师、第二十五师等三个师的主力。只要这三个师的主力歼灭了，整个局势就很有利了。”“美骑一师（两个团）正向德川、顺川、成川之间调动，目的在巩固成川、顺川地区阻我南进。我四十二军应独立担任歼灭该敌。”“美九军团指挥之第二师、第二十五师，在球场、院里、军隅、价川一带，我三十八军、四十军、三十九军应担任攻歼该敌。这是很重要的一仗，令各军努力执行之。”当日24时，毛泽东再次致电彭德怀等人，指出：“此次是我军大举歼敌根本解决朝鲜问题的极好时机，望你们鼓励士气，争取大胜。”
彭德怀据此，当即令第38、第42军迅速完成战役迂回任务，令第40、第39、第66、第50军攻击球场、军隅里、宁边地区之敌。至29日晨，志愿军已从北、东、南三面将美第9军指挥的美第2师、第25师、土耳其旅全部和美骑兵第1师、南朝鲜第1师的各一部，包围于价川附近的清川江南北地区。第42军主力歼灭阻击之敌1个营进至顺川以东新仓里地区。麦克阿瑟在西线整个进攻布势被打乱。志愿军在西起安州、东至价川的清川江南北地区展开了勇猛的围追堵截战。在东线的美第10军两师也同时遭到了厄运。
麦克阿瑟搞不清这么多志愿军部队是从哪来的，好像是神兵从天而降。在志愿军突然猛烈的反击面前，麦克阿瑟蒙了、呆了。此时，已经不是他如何歼灭志愿军打到鸭绿江边的问题了，而是他的部队如何从志愿军的包围中逃脱出去，免遭全军覆灭的命运问题了。此时的麦克阿瑟怎么也乐不起来了。他已从乐观的顶点坠入了沮丧的深渊，从信心百倍，胜利在握，转而惊慌失措，乱了方寸。一方面惊恐地向华盛顿报告，他遇到了全新的敌人；一方面错乱地将沃克和阿尔蒙德两位前线指挥官紧急召到东京商讨对策，决定全线向平壤、元山一线撤退。然而，要逃走，也不是易事。志愿军第113师已死死地卡住了三所里和龙源里美第9军南撤仅有的两条通道。尽管美军的空军终日轰炸和扫射，美第9军也以上百辆坦克和数十门大炮进行轰击，南面又有美骑兵第1师主力和英第29旅的向北增援，可就是突不破第113师的阻击。而此时的第113师只上来两个步兵团（另外1个团在德川打扫战场），携带的只有步兵轻武器，对付美军的坦克只有地雷、炸药、手榴弹和爆破筒。这同美军的现代化装备形成了鲜明的对照。第113师就是凭着这样的装备和两个团的兵力，必须卡住三所里和龙源里这两个关口，这是关系到志愿军此次作战能否取得胜利的关键。该师的官兵们，凭着解放军的顽强战斗作风，依托有利地形，南北两面对敌，坚守阻击。就这样，美军对这两个关口，从29日至12月1日，上有空军轰炸，下有南北对攻，然而，3天未能打开关口，则始终可望而不可即。第42军迂回距离较远，并被美骑兵第1师部队阻于顺川以东的殷山地区，未能按时插到肃川。
战至12月1日，美第9军遭到惨重伤亡。鉴于从三所里、龙源里地区南突无望，被迫丢弃全部重装备，转而西向安州，尔后南经肃川退向平壤。此时，美第1军已经经安州、肃川退向了平壤。
12月2日，清川江畔的激战结束。此战志愿军歼灭美第2师7000余人、美第25师5500余人、土耳其旅2200余人，美第2师被打残，失去了战斗力（美国人写的书上说，从11月30日到12月1日，联合国部队有1.1万人阵亡、负伤、失踪或被俘，美第2师损失6380人，土耳其旅损失1000人）。美军溃逃时在清川江南北地区的公路上遗弃了大量的装备，据统计，各种炮500余门、坦克100余辆、汽车2000余辆、各种枪5000余支。然而，非常遗憾，志愿军没有空军掩护、没有高射炮部队，会驾驶坦克和汽车的人也寥寥无几，这些装备很快即被美军飞机炸毁，公路变成了火龙，志愿军只能望炸兴叹。然而，这只是胜利中的遗憾，这是客观条件无力所及造成的遗憾，志愿军在客观条件所及的范围内已大获全胜，美军遭到了惨重的失败。第二次世界大战时在太平洋战场威名赫赫的盟军总司令麦克阿瑟，在朝鲜战场指挥着完全现代化装备的陆海空军联合作战的美军为主的“联合国军”，惨败在了指挥仅有少量炮兵支援、基本是小米加步枪装备的中国人民志愿军司令员彭德怀手里。志愿军振奋了，中朝人民振奋了，苏联人民也振奋了。毛泽东于12月5日，致电彭德怀等，指出“此次西线歼敌二万余，是个大胜利”。在此之前，斯大林获得志愿军作战顺利发展的形势，于12月1日致电毛泽东，告知：中国人民志愿军在战场上抗击美军的重大胜利，不仅使苏联领导人而且使全体苏联人民感到高兴，向毛泽东和中国领导同志，向中国人民志愿军和全体中国人民，“致以衷心的敬意”。
在围歼美第9军的作战中，第38军，特别是第113师起了关键的作用。因此，彭德怀于12月1日亲自起草电报，通令嘉奖第38军全体官兵。电报内容如下：
梁〔兴初〕刘〔西元〕转三十八军全体同志：
此战役克服了上次战役中个别同志某些过多顾虑，发挥了三十八军优良的战斗作风，尤以一一三师行动迅速，先敌占领三所里、龙源里，阻敌南逃北援，敌机、坦克各百余，终日轰炸，反复突围，均未得逞。至昨三十日，战果辉煌，计缴仅坦克、汽车即近千辆。被围之敌尚多，望克服困难，鼓起勇气，继续全歼被围之敌，并注意阻敌北援。特通令嘉奖，并祝你们继续胜利！中国人民志愿军万岁！三十八军万岁！
志愿军在西线大获全胜的同时，东线也取得了大胜利。麦克阿瑟在东线的情况，甚至比西线更惨。直至志愿军在西线已发起攻击，在东线的美第10军，仍未发现志愿军第9兵团部队已神不知鬼不觉地隐蔽在他们的身边，仍在兵分数路向北前进中。11月27日晚，第9兵团第20、第27两军完成了攻击准备，突然发起反击，采取分割包围战术，一夜之间，即将美第10军指挥的美陆战第1师（也是美军战斗力较强的“王牌”部队之一）师部和两个多团，及美第7师1个多团，分割包围于长津湖东西两侧及湖南岸的新兴里、柳潭里、下碣隅里三个孤立的点上。
朝鲜东北部地区，冬季非常寒冷，最低平均气温达零下30～40℃。此时长津湖地区普降大雪，气温已降至零下20～30℃。志愿军第9兵团部队，是在中国华东地区成长起来的部队，不适应寒区的气候，没有寒区生活、作战经验。此次入朝参战比较仓促，从山东乘火车北开时，部队穿的是华东地区的冬装，原计划到东北地区整训一个时期，并换发寒区冬装，尔后再入朝作战。但由于战场形势的急速变化，已不容许第9兵团在东北地区停留，而直接开赴朝鲜作战，只是火车在沈阳等地短暂停留时，匆匆补充了有限的寒区服装，加之，当时志愿军的跟进保障能力太弱，致使到战斗打响时，官兵多数没有大衣，许多官兵甚至还穿着胶鞋，戴着单帽。就连穿着羽绒服装、配有羽绒睡袋，并有空中运输源源补给的美军士兵，在这样的气候下尚有数千人冻伤，那么缺乏寒区装备的志愿军官兵的状况就更可想而知了。并且吃不上热饭，只能啃冻得铁一样硬的饭团、土豆和窝窝头。严寒的气候，是志愿军第9兵团遇到的第一个巨大威胁。许多官兵手脚被冻僵，面部、耳朵被冻伤，有的步枪被冻得拉不开栓、机枪打不响。
第9兵团就是在这样的困难条件下，同被围的美第10军部队展开了激战。被围美军为免于被歼，则以坦克、装甲车和汽车组成环形防御，以坦克和大炮的火力掩护步兵拼死抵抗，并且空中有飞机支援。志愿军由于攻击火力太弱，加上作战和冻饿减员，各点攻击力量均显薄弱。战至29日，仅歼被围之敌1000余人。
鉴于此，宋时轮采取了集中优势兵力，逐点歼灭被围之敌的战术，于30日晚，至12月1日拂晓，集中第27军5个团，全歼被围于长津湖东侧的美第7师第31团及第32团1个营3100余人，缴获各种火炮及火箭筒266门（具），各种枪2455支，击毁和缴获坦克18辆、汽车345辆，创造了一战全歼美军1个多团的范例。12月2日，毛泽东致电彭德怀、邓华并第9兵团司令员宋时轮、副司令员陶勇，庆祝第9兵团两次歼敌重大胜利。
此后，美第10军的进攻全线动摇，12月1日开始，全线向南撤退，就连美军自称为只有进攻和胜利的陆战第1师，也不得不使用“撤退”这个字眼。
毛泽东和彭德怀早有预见，早在第9兵团在东线发起反击之前，就指示宋时轮做了阻击美军南逃的部署，在美陆战第1师南逃必经的约80公里路段上，设下了数道阻击埋伏线。第9兵团立即展开了围追堵截，12月6日兵团预备队第26军赶到战场，也参加了追击。仅在古土里和上、下通里以北地区，第20军即截歼1400余人。
美陆战第1师从12月3日开始突围南撤以来，几乎是层层受阻，步步被截，李奇微曾说：“这是一次漫长而曲折的撤退，一路上战斗不断，似乎是在一寸一寸地向后挪动。”美陆战第1师一路苦战，一路惊慌，一路遭受伤亡损失，损失过半，已溃不成军，直至12月12日，赖以坦克、大炮的优势火力，赖以空运的源源补给和空军的支援掩护，其残部才在美第3师的接应下，艰难地突破志愿军最后的阻击，狼狈逃至五老里，幸免于全军覆灭的灾难。这是美国这支“王牌”部队有史以来，遭受损失最为严重，逃跑景象最为狼狈的一次败退。几十年后，当时的美军高级官员，回忆起美陆战第1师在长津湖地区险遭全军覆没的境况时，仍觉非常可怕，不寒而栗。美国人写的书里说，从10月26日至12月15日，美陆战1师的战斗伤亡总数为4418人，另有7313人非战斗减员。
志愿军第9兵团此次长津湖地区的作战，在武器装备严重落后，运输补给严重不足，冻饿交加严重威胁的情况下，发扬人民军队的优良传统，灵活顽强作战，予美陆战第1师和步第7师以歼灭性的打击，共歼敌1.3万余人，彻底扭转了东线战场的局面。志愿军总部和毛泽东均致电宋时轮给予高度评价。志愿军总部在12月15日的电报中指出：“你们在冰天雪地，粮弹运输极端困难的情况下，与敌苦战半月有余，终于熬过困难，打败了美国侵略军陆战一师及第七师，收复东线许多重要城镇，取得了很大胜利，这种坚强的战斗意志与大无畏的精神值得全军学习。正由于东西两线的伟大胜利，基本上改变了朝鲜的局势，迅速地转入对敌反攻。”毛泽东在12月17日的电报中指出：“九兵团此次在东线作战，在极困难条件之下，完成了巨大的战略任务。”麦克阿瑟遭志愿军东西两线强大攻势突然猛烈的打击后，由根本没把中国军队放在眼里，转而对中国军队感到非常畏惧。继11月29日，命令他的部队撤至平壤、元山一线后，12月3日又命令他的部队全线向三八线撤退。美第8集团军司令官沃尔顿？沃克，于12月23日也死于慌乱撤退中的车祸。
毛泽东、彭德怀，则令志愿军抓住时机，迅速扩大战果。12月4日，毛泽东连续两次致电彭德怀、邓华、朴一禹、洪学智，指出：“平壤敌似正准备撤退。我志愿军休息五天后，如平壤敌未退，则准备先打平壤附近之敌，然后包围平壤，研究攻城办法。如平壤敌已退，则向三八线攻进。”“大体上可以确定平壤敌人正在撤退，其主力似已撤到平壤至三八线之间，其后卫似尚在平壤以北及东北地区。你们应于明（5）日派一个师的主力，向平壤前进，相机占领平壤。”
据此，彭德怀作了部署。12月6日志愿军西线部队进占平壤，12日开始向三八线攻进。23日，西线各军逼近三八线，进至涟川、华川一线地区集结。朝鲜人民军一部收复了三八线以南延安半岛和瓮津半岛。在东线，朝鲜人民军一部于12月9日收复元山，截断了美第10军从陆路南撤的退路。志愿军第9兵团继续追击撤逃的美第10军部队，12月17日，进占咸兴，24日帮助朝鲜人民收复兴南及沿海港口。阿尔蒙德指挥的美军残部和南朝鲜军，在近300艘海军舰船的接应下，从海路狼狈撤往釜山。
至此，志愿军第二次战役以大获全胜而告结束。
这次战役，毛泽东和彭德怀成功地利用了美国当局战略上的判断错误和麦克阿瑟恃强骄傲的心理，将计就计，示弱诱敌，尔后采取迂回包围战术，截断美军退路，实行关门打狗，使麦克阿瑟大上其当。志愿军取得了远远超过预想的大胜利，东西两线共歼敌3.6万余人，其中美军2.4万余人，把美国军队从鸭绿江边打回到三八线，帮助朝鲜人民收复了三八线以北全部国土。志愿军不但站稳了脚跟，而且根本扭转了朝鲜战局，奠定了抗美援朝战争胜利的基础。
至此，志愿军最初担心的能不能打的问题，经过连续两次战役的胜利，自然消除了。连续两次战役的实践证明，虽然志愿军的武器装备与美军相比劣势悬殊，给作战造成很多困难，但仍然可以同美军作战，并且可以取得作战的胜利。第38军总结了第二次战役的作战经验，12月16日彭德怀将这一经验转发志愿军各部并报中央军委。毛泽东看到这一经验，极为重视，于18日，又将其转发各中央局、分局、省市区党委和各级军区、各兵团、各军及新组建的军事学院，指出：“这是极重要的经验，望注意研究。在志愿军的作战经验中证明，我军对于具有高度优良装备及有制空权的美国军队，是完全能够战胜的。”
后来，毛泽东、周恩来都说过，能不能打的问题，“两三个月就解决了。敌人大炮比我们多，但士气低，是铁多气少”。“经过三个多月的时间，证明我们能够把敌人打退，我们把美帝国主义打回到三八线附近了”。
志愿军此次战役，打蒙了麦克阿瑟，打蒙了美国当局，也震动了全世界。中国如此贫穷落后，面临的困难那样多，竟然敢于出动如此大规模的军队同美军较量，志愿军仅仅依靠步兵作战和有少量炮兵的支援，竟然打败了武器装备如此精良、陆海空军联合作战的美军，实在不可理解。直至几十年后，美国及其他西方国家的许多人仍觉是个谜。
从1950年10月31日，美国当局确认中国人民志愿军参战，到12月底，是美国当局最为难过的60天，从总统到政府和军队最高层的决策人，都忧心忡忡，不知所措。布莱德雷在其回忆录中写道：“这60天，是我们职业军人生涯经历最严峻的考验的时刻，朝鲜战争出乎预料地一下子从胜利变成了丢脸的失败――我军历史上最可耻的一次失败。”
志愿军取得了这次战役的胜利，一下子使中国人民声威大震，改变了美国人对中国的看法，改变了西方人对中国的看法，甚至也改变了当时社会主义阵营对中国的看法。站起来的中国人民是不好惹的，中国人民反抗侵略的决心和力量是不可小视的。美国人德鲁·米德尔顿在其所著的《用兵之道》一书中，评论这次战役时说：“无论就军事还是政治而言，中国人都是胜利者。中国军队达到了出奇制胜的目的。在政治上，这次胜利确定了中国在亚洲大陆上的主要军事强国的地位，因而增强了北京在整个地区的影响。”