密电毛泽东说：“为增加帝国主义内部矛盾，可否播发中、朝两军拥护限期停战，人民军与志愿军从乌山、太平里、丹邱里线北撤15—30公里的消息，如同意请由北京播出。”翌日，毛泽东复电彭德怀，主张向南打下去。复电要求：“我军必须立即发起第四次战役，以歼灭两万至三万美李② 军，占领大田、安东之线以北区域为目标”：“中朝两军北撤15—30公里，发表有限期停战的新闻是不适宜的，敌人正愿我军撤退一段地区，封锁汉川，然后停战”：“我军没有补兵，弹药也不足，确有很大困难。但集中主力向原州打下去，歼灭几部分美军及四、五个南朝鲜师的力量还是有的。请你在高干会上进行说明”。彭德怀收到毛泽东复电，当即决定中朝联军停止休整。
“联合国军”于1月25日发动反攻后，美军两个军、英军两个旅及土耳其、希腊和南朝鲜军沿南汉江西岸至水原线，拼命向北猛攻。彭德怀将中朝联军组成东、西、中3个集团，与敌进行第四次战役。29日，中朝两军高干会提前结束，彭德怀在会上做了紧急作战动员，决定采取“西顶东放”的作战方针，即西线在汉江两岸顶住敌人，东线将敌人有计划放进来，在运动中寻机歼敌。经请示毛泽东，复电说：“部署甚好，预祝胜利。”经8天的激烈战斗，志愿军坚守了主要阵地，但敌人攻势猛烈，志愿军五十军、三十八军伤亡较重，从而被迫节节抗击，阻止敌人前进。
中国人民志愿军在新年前夕举行的第三次战役，由于前进过远，供应线延长，再加冰雪路滑，气候严寒，敌机轰炸，致物资供应极为困难，造成志愿军在第四次战役中的被动局面。鉴于此种情况，彭德怀于1月31日给毛泽东发电说：“第三次战役即带着若干勉强性（疲劳），此次战役则带有更大勉强性。如主力出击受阻，朝鲜战局有暂时转入被动的可能。”
中朝联军凭少量小型火炮和步兵武器抗击敌人的猛烈进攻，彭德怀接连不断地收到前线发来的告急电报和电话。他十分焦急，致电中央军委请速调第十九兵团入朝，并希尽快设法解决志愿军的后方供应和空中掩护问题。
2月4日，金日成来联司与彭德怀会谈，了解中朝联军的防御作战情况和下一步计划。彭德怀详细汇报情况，听取了金日成的意见。经过商谈，金日成对他目前力争停止敌人前进、并从各方面加紧准备、仍作长期打算的方针，表示完全同意。
西线“联合国军”在占领志愿军第一线阵地后，继续猛烈进攻。中朝联军奋勇抗击。此时，因敌机猛烈轰炸，汉江开始解冻，为避免背水作战，彭德怀于2月7日命令人民军第一军团和志愿军五十军主力撤至汉江北岸组织防御，三十八军仍留汉江南岸掩护主力向横城地区集结，并保障东线部队的侧翼安全。
2月8日，“联合国军”向汉江逼近。10日，占领了仁川港，以数师兵力猛攻三十八军阵地，战斗空前激烈，在敌炮火猛烈轰击下，三十八军指战员既无坚固工事依托，又无炮火支援，仍前仆后继，不畏牺牲，守住了阵地，大量杀伤了敌人。
在东线，“联合国军”于1月31日发起进攻，彭德怀电令邓华指挥的东集团主力于5、6两日相继出动，向洪川以南地域迅速开进。这时，“联合国军”被志愿军阻止在砥平里和横城以北地区，形成突出态势，造成志愿军从其侧面反击的有利战机。彭德怀遂决定对横城和砥平里地区之敌实施反击。关于攻击目标，他在征求邓华、韩先楚意见后，原拟围歼砥平里之敌。但随即得知砥平里之敌兵力集中，战斗力较强，且已构筑了工事，不易迅速分割歼灭。考虑到如一昼夜不能解决战斗，则利川及原州附近的敌军可能来援；如两昼夜还不能解决战斗，则水原方向之美军，亦可东援，这样就会打成消耗仗；志愿军将处于极为不利境况。因此，联司迅速改变部署，决以志愿军4个军和人民军两个军团先攻横城地区战斗力较弱的南朝鲜军五、八两个师。
2月11日晚，志愿军邓华集团和人民军金雄集团共7个军，根据彭德怀的命令，对横城附近之敌开始战役反击。经过两夜一天的激烈战斗，围歼了向北猛进的敌人，狠狠地打击了敌军进犯的气焰。美军第八集团军司令李奇微回忆道：“2月11日夜间，共产党发动了反攻。在中共军队进攻面前，美二师遭受重大损失，尤其是火炮的损失更为严重。这些损失是由于南朝鲜第八师仓惶撤退造成的，该师在敌人的一次夜间进攻面前彻底崩溃，实际上是全军覆没。”① 这次反击作战于13日晨结束，邓、金集团密切配合，共歼敌1。2万余人（其中俘敌7800余人），使向该区进攻的美军和南朝鲜军被迫撤退。只有西面砥平里之敌仍在原地未动。中朝联军的猛烈反击震惊了麦克阿瑟。13日，麦克阿瑟乘飞机亲临朝鲜战场观察，当天返回东京后，承认美军的新冒险惨败。
横城反击后，为扩大战果，阻止敌军的攻势，彭德怀决定以机动兵力于13日晚向砥平里之敌发起攻击。但这一次攻击对敌情判断有误，实际上，该地“联合国军”兵力较估计的多，且已构筑了较强的防御工事，而此役志愿军火炮少，虽参战部队建制多，但协同动作差，以致当晚未能解决战斗。14日，集结在西线的美、英军开始东援，当晚又未解决战斗。15日，美、英军大批援军开始逼近砥平里，彭德怀认为要大量歼灭敌人或迫使敌人全线退却，可能性已很小，为避免处于被动，遂于2月15日命令部队停止进攻。自16日开始，部队先后撤出战斗向北转移，转入防御。至此，第四次战役的第一阶段结束。
中朝联军经过23天作战，歼敌2。2万余人，但志愿军部队伤亡亦较大；而此时，应补充的新兵和增调入朝的后续部队第三兵团、第十九兵团尚未赶到。彭德怀考虑，如“联合国军”乘势突入“三八线”及其以北地区，中朝联军将陷入十分不利的地位。经过联司领导人讨论，决定中、朝联军全线转入运动防御，采取“积极防御，纵深设防，利用良好地形节节抗击，迟滞和杀伤敌人，赢得时间，改善交通运输，屯集作战物资，以待后续作战部队到来进行战役反击”的作战方针。彭德怀在作战指挥上灵活多变，根据敌我态势，指示各军：“在敌优势火力下，不应死守一地不动，也不应在一个阵地堆很多部队，以避免过多过早消耗自己的力量为原则。各部可依据情况，分成数个梯队，轮番阻击，换班整补。只要我们能争取两个月的时间，后续部队即可赶到前线，新兵亦可补充到部队，作战物资也可屯集起来。第二番兵团即可接替第一番兵团连续作战。”
1951年2月16日，志愿军三十八军和五十军，根据彭德怀的指示相继向北撤至汉江北岸。李奇微立即令美、英军主力，向中朝联军阵地步步进逼，攻势更加猛烈。针对敌人进攻的特点，彭德怀指示各军应采取的防御战术是：“采取重点设防，梯次配置，扼守要点，以点制面的部署。各级实行兵力前轻后重，火力前重后轻的原则。”彭德怀将多数兵力分散隐蔽在阵地两侧或稍后。在火炮配置上则适当靠前，有层次地分散隐蔽配置，以避开敌人攻击前的炮火袭击。当敌人步兵、坦克发起攻击时，志愿军各种火炮突然集中开火，支援部队反冲击，与敌人展开近战。这样，既可有效地减少自己的伤亡，又可发挥志愿军近战的特长。在争取到一定时间，或已无力防守时，即利用夜间主动转移阵地。彭德怀这一战术，减少了中朝联军的伤亡；同时，使敌人每前进1公里都要付出惨重的代价。连敌人也不得不承认：“中共志愿军是一支纪律严明，训练有素，指挥有方，堪称为世界上第一流的军队。”
但是，中朝联军第一线兵团连续作战，大量减员，而第二番轮换兵团还远在鸭绿江边。前线部队衣鞋粮弹均未补充，很多战士赤脚作战，这使彭德怀对当前的严重局势和中朝军队的处境愈加焦虑和担忧，他深感战场情况用电报说不清楚，16日急电毛泽东要求回京向中央面报，毛泽东复电同意。彭德怀即于18日先赴平壤附近，与金日成商谈拟定了中朝联军在“三八线”以南的作战方案：西线汉城方面，力争沿汉江北岸抗击时间越久越好；东线横城方面，集中三十九军、四十军力争在运动中歼灭南朝鲜两个师和美军一部，以推迟敌人进到“三八线”的时间。19日，彭德怀回志司电邓华速回志司主持全面工作。
2月20日晚，彭德怀带两名参谋、两名警卫员，乘两辆吉普车，冒着敌机的轰炸，连夜向北疾驰，21日晨到达安东，聂荣臻派来的专机已在机场等候。11时，飞机降落在沈阳机场加油，时任东北军区司令部办公室主任的郭瑞乐在回忆录中写道：“我们看到彭总很疲劳，请他在机场休息室休息一会儿，他说：”我不累，你们别管我！‘他不进休息室，既不吃饭，也不喝水，就一直站在飞机旁，等着飞机加完油，即刻向北京飞去了。“
21日午后，彭德怀在西郊机场下了飞机就乘车赶赴中南海，不巧毛泽东当时住在西郊玉泉山静明园，彭德怀又命车折返西郊。当他急急进入静明园时，毛泽东正睡午觉。秘书和警卫人员劝他等一等，彭德怀面色严肃，大声说：“我有急事要向毛主席汇报！”他不顾警卫的拦阻，推门而进，将毛泽东唤醒。
毛泽东事先已收到彭德怀要回京的电报。立即起床，一面穿衣，一面打趣说：“只有你老彭才会在人家睡觉的时候闯进来提意见。”毛泽东得知他还没吃午饭，说：“你必须先吃饭，你若不吃饭，我就不听汇报。”彭德怀只好到食堂匆匆吃了几口，回来即向毛泽东详细汇报，说明从敌我现实情况分析，朝鲜战争不能速胜。彭德怀说：“我军现在是出国作战，与在国内作战突出的不同之处：一是兵员补充不能取之于敌。抓到的敌人俘虏不能补充自己，也不能就地动员朝鲜青年参加志愿军。现志愿军伤亡很大，得不到及时补充，战斗力已越来越削弱。二是敌机轰炸，道路、车辆毁坏严重，物资得不到及时补充。即使缴获了敌人的装备，因缺乏技术人员，不能使用，几乎全部被敌机炸毁。三是部队越过‘三八线’作战，正是严冬季节，朝鲜东西两面是海，寒风袭人，东线更冷，战士衣服单薄破烂，有的连鞋袜都没有，大量生病和冻伤。四是几十万志愿军既得不到充足的粮食供应，更得不到新鲜蔬菜，断炊现象经常发生，指战员靠的是一把炒面，一把雪坚持作战，营养不良，体力下降，许多人得夜盲症，严重影响作战行动。我们现在一无空军掩护，二无足够的高射火炮，运输车辆大部分被中途炸毁。第一次和第二次战役，一个多月共损失汽车780多辆，真正能够送到前方的物资粮食为数很少。我们如不能有效地保障后方的交通运输，是无法坚持长期作战的。”毛泽东听后沉思了一会儿说：“中央对志愿军在朝鲜前线的困难处境很关心，根据现在的情况来看，朝鲜战争能速胜则速胜，不能速胜则缓胜，不要急于求成。”彭德怀在追述这次谈话时写道：“这次主席给了抗美援朝战争一个明确的指示，即‘能速胜则速胜，不能速胜则缓胜’。这就有了一个机动而又明确的方针。”
最后，彭德怀十分不安地向毛泽东详细汇报了毛岸英在朝鲜牺牲的经过和处理情况。在毛岸英牺牲的当天（1950年11月25日），志司即将这次不幸事件电告中央军委。其时，毛泽东身体欠佳，又忙于国内外重大事务，周恩来把电报暂时搁下，直到1951年1月2日，才将毛岸英牺牲的电报送给毛泽东和江青看，并附一信安慰说：“毛岸英的牺牲是光荣的，当时因你们都在感冒中，未将此电送阅……胜利之后，当在大榆洞立纪念志愿军烈士墓碑。”
彭德怀十分内疚地对毛泽东说：“主席，你让岸英随我到朝鲜前线后，他工作很积极。可我对你和恩来几次督促志司注意防空的指示不重视，致岸英和高参谋不幸牺牲，我应承担责任，我和志司的同志们至今还很悲痛。”毛泽东沉默一阵慢慢抬起头来，反而宽慰彭德怀：“打仗总是要死人的嘛！中国人民志愿军已经献出了那么多指战员的生命，他们的牺牲是光荣的。岸英是一个普通的战士，不要因为是我的儿子，就当成一件大事。现在美国已使用在朝鲜战场上的各型飞机约一千多架，你们千万不能疏忽大意，要采取一切措施保证司令部的安全。”
2月24日，根据毛泽东的指示，中央军委副主席周恩来和彭德怀一起召集军委各总部负责人在总参谋部开会，讨论各大军区部队轮番入朝和如何保障志愿军物资供应的问题。彭德怀介绍了志愿军面临的严重困难，要求国内各方面想办法大力支援前线。讨论到具体问题时，有些人强调国内机构刚刚建立，许多问题难以落实。彭德怀本来就为前线的供应不继焦急不满，会前苏联军事顾问表示不能派空军掩护志愿军的交通线，更使彭德怀十分失望。此时，会议又出现这个情况，彭德怀十分恼怒，猛地站起来，把桌子一拍，说：“这也困难，那也困难，就是你们爱国，难道志愿军不爱国！你们去前线看看，战士吃的什么，穿的什么！伤亡那么多人，他们为谁牺牲？现在既没有飞机，火炮又很少，后方运输根本没保障，粮食服装运不上去，又饿死、冻死了很多战士，难道国内就不能克服困难吗！？”彭德怀火冒三丈，会场气氛骤然紧张，主持会议的周恩来，虽大度维持，会议还是不欢而散。②会后，周恩来连续主持召开中央军委会议，对加强志愿军第一线兵力和后方供应做出了一系列重要决定，即凡国内的部队，都要轮番到朝鲜作战。一则替换第一线部队休整，二则锻炼部队，提高全军现代化作战指挥能力。会议决定，将刚改装的空军和高射炮部队调到朝鲜北部掩护后方交通线，再向苏联购买几十个师的武器装备；调用国内各种物资大力支援前线，由几个大城市为志愿军制作炒面和罐头食品；号召国内各行各业增产节约和捐款购买飞机大炮。这些措施对减少志愿军的困难，增强战斗力起了巨大作用。
彭德怀在北京停留的一周内，除和毛泽东、周恩来商谈决策重大问题外，又和军委各总部负责人研究具体实施办法。日夜奔跑，十分紧张，本来已经消瘦的身体更显疲劳消瘦，毛泽东见状要他在北京休息几天，因前线正紧张，彭德怀仍于3月1日匆忙离京。当天，毛泽东致电斯大林，说明志愿军在朝鲜作战中所面临的严重困难，要求苏联方面尽快派空军掩护中朝军队后方运输线。3月5日，斯大林复电同意派2个驱逐机师和3个高炮师参战，并同意给中国增供6000辆汽车的合同。
彭德怀离京后，从3月1日至3日，周恩来夜以继日地召开一系列会议，将所定各项措施迅速部署完毕。3月3日即将具体落实方案电告彭德怀和高岗。彭德怀对周恩来惊人的工作精神和工作效率大为佩服。
彭德怀在沈阳和安东两地与军政领导人研究了落实中央各项决定的措施后，于3月5日晚乘吉普车返回朝鲜。这时，正值入朝的第十九兵团后续部队也沿公路向南开进，人车拥挤，凡遇阻塞时，彭德怀就命令司机在路旁停住，让部队的车开过去，说：“部队是开到前线打仗的，应让他们