志愿军右集团的4个军，在东场里至永平地段突破南朝鲜军防御，对南朝鲜伪1、伪6师展开猛攻。
第39军在炮兵支援下，于新堡、土井地段突破。以猛烈的炮火摧毁了南朝鲜第1师前沿火力点，压制了其纵深炮兵，并在前沿为步兵开辟了两条道路。
担任突破任务的第39军116师于高浪浦里东南强渡临津江，迅速突破了南朝鲜伪1师的防御正面。
经过一夜战斗，至 1951年1月1日拂晓，第116师13个小时前进12至15公里，毙伤俘南朝鲜军1000余人，完成了突破任务。战至2日中午，志愿军右集团和人民军第1军团推进到坡州里、仙岩里、七峰山及议政府东北一线，突入敌军防御纵深达15至20公里。南朝鲜伪1、伪6师惧怕被歼，仓惶南逃。
左集团在永平至马坪里地段突破后，担任迂回任务的第42军124师，不顾敌机威胁，昼间坚持作战，沿途大小战斗10余次，于1日12时前出到济宁里以南地区，切断了南朝鲜第2师退路。至2日，第42军、第66军主力于修德山、上下南淙地区，在第124师协同下，歼灭了南朝鲜伪2、伪5师各一部，毙伤俘3200余人，随后继续发展进攻，占领加平、春川。
在东部战线的人民军第2、5军团，于战役发起前，先后突破三八线向洪川、原州方向渗透迂回，前出至洪川西南新垈里地区，迫使南朝鲜第3师南逃。
在志愿军和人民军的迅猛攻势下，1月2日，“联合国军”开始放弃议政府、加平、春川的基本防线后撤。3日，志愿军右突击集团及人民军第1军团，向汉城方向追击作战，第50军在高阳以北碧蹄里击退美军第25师1个营的抵抗后，进至高阳以南佛弥地截断了英军第29旅退路，经3个多小时战斗，全歼该旅第1营及1个坦克中队，毙伤500余人，俘少校营长以下189人，击毁和缴获坦克31辆、装甲车及汽车24辆。
第39军在议政府西南与美军第24师第21团遭遇，歼其一部，后又在议政府以西釜谷里歼英军第29旅2个连。第38、第40军追至议政府东南水落山地区，击溃美军第24师第19团。左集团第42军主力和第66军1个师分别由加平、春川渡过北汉江向洪川方向追击。人民军第2、5军团则继续在洪川、横城地区截击南朝鲜军。
志司根据战场形势的变化，及时调整作战行动，进一步加快进攻的节奏并加深打击力度，力求获得更多战果。战役进程随之迅速推进，呈现出加速发展的态势。
志愿军的强大攻势使汉城迅速陷入危急境地，几乎不费一兵一卒就可以轻松占领。当志愿军兵临城下稍作犹豫时，守卫汉城的美韩联军惊慌失措，仓皇撤离，只留下了一座早已化为废墟的空城。
随后，汉江防线全面失守。
当志愿军抵达汉江北岸时，南岸的敌军已提前放弃了阵地撤退。志愿军顺利渡江，未遇敌人阻击，先遣部队迅速推进至水原、利川、原州一带。原本带有诸多勉强的战役，进展竟如此顺利且迅速，战果再次超越了战前的预期。
在这种情势下，是应当继续大规模南下，还是见好就收，局内外的各方人士产生了诸多不同的看法和意见。此时，战争的决策者和战役的指挥官，再次面对预见能力与掌控能力的重大考验。
在突破三八线作战即将展开前，负责指挥右集团四个军的韩先楚于12月29日上午11时向志司发电，预判战役开始后敌情可能出现两种变化，并提出了两套应对方案。
第一种可能是敌军向汉城及汉江以南撤退，这种情况下，应当展开攻城行动：“第五十军沿铁路追击南逃之敌，一部分兵力及炮兵前进至金浦对岸，炮击金浦机场；第三十九军派出一个师追击敌军，伺机占领汉城，并争夺汉城江桥；第三十八军则派出一个师向东面的仁仓里进军，拦截骑一师的敌军。”
另一种可能是，“美军依靠炮火和空中支援，强力固守高阳和议政府以北地区”。因此，“计划由40军及38军一个师歼灭抱川的敌军，39军控制德亭里铁路两侧区域，监视议政府的敌军动向，同时以38军主力部署在抱川西南以截击援军，50军则向汶山推进，积极牵制高阳方向的敌军”。
志司于当日午夜24时回电：
此次战斗若能歼灭伪1师、伪6师、伪2师、伪5师的大部分或全部，美军可能会有两种选择：一是放弃汉城，退守汉江南岸；二是固守清平里、议政府、高阳一线。如果敌军放弃汉城向南撤退，我50军将通过议政府进军，人民军第1军团则从汶山向汉城发起攻击，50军需迅速占领汉城的江桥并加以巩固，城防任务由人民军第一军团负责。
若美军继续坚守议政府东西线阵地，我右纵队应暂停对面之敌的进攻；若左纵队在春川地区的围歼行动尚未成功，则应调派适当兵力协助完成围歼任务。
在志愿军成功突破战线正面之后，\"联合国军\"的反应果然如志司与韩先楚在战前所预料的那样。
李奇微的首要行动是阻止志愿军和人民军的进攻。他不仅调动部署在第二线的美英军队前往第一线，堵住防线上的空隙，还采取了关键措施，命令远东空军全力出击，对沿各条南下通道进攻的志愿军和人民军展开猛烈的轰炸。
美国方面估计，这次轰炸给中国军队带来了严重的人员伤亡。
在志愿军发起攻势的最初两天里，李奇微时而乘汽车，时而搭乘小型联络飞机，穿梭于前线各地，亲眼见证了战局的迅速恶化。在听取了所有军长和师长的意见后，他最终决定采取第二步措施：放弃汉城。
他在当天的日记中写下：
“我早已明白，当中国军队全力进攻时，汉城无法长时间守住。第8集团军的战略是尽可能重创敌军，然后迅速撤离，退守新的防线。”
由于中朝人民军队攻势凌厉，李奇微被迫于1月3日晨下令，“联合国军”从3日15时开始全线撤至汉城以南组织防御。美第8集团军在撤离汉城的同时，用汽油、炸弹对汉城、仁川、金浦机场等地进行了疯狂破坏。汉城的学校、医院、图书馆、博物馆等遭到严重损坏，许多建筑物被毁。
听闻李奇微将要放弃汉城，南朝鲜总统李承晚焦急不已：“李奇微将军不是说过要长期驻留朝鲜吗？可他刚到朝鲜才一个星期，怎么就要撤出汉城了？难道他指挥的军队只会撤退？”对于李承晚的质疑，李奇微根本不放在心上，这个傀儡有什么资格告诉自己怎么做，他的一切都是美国给的。
随即，李奇微反击道：“你应该到前线去瞧瞧南朝鲜的军队，是如何像羊群一样溃逃，而不是可怜兮兮的坐在这里！这样的部队，如何执行我的反突击计划？坚守阵地无异于等死……我李奇微只不过是撤出汉城，我仍然还留在朝鲜！”
满腔怒火的李奇微挂断电话，立刻命令帕尔默准将全面负责汉江大桥的交通管制，第八集团军数十万人的生死都系于此桥。他严令道：“给我拦住那些难民，从下午三点起，禁止一切非军方车辆和行人通过，以我的名义采取一切必要措施，确保第八集团军顺利地通过。我最担心的就是汉城数十万难民涌上大桥，那可真是给中国军队大大帮了忙！”
一队队士兵缓缓涌过汉江桥，浩浩荡荡的机械化部队从江面上的浮桥上缓慢驶过，沉重的重型武器，甚至将浮桥压进了冰冷的江水。李奇微的心提到了嗓子眼。
“只要中国军队用几门重炮轰击，第八集团军就彻底完了！”
韩先楚清楚地看到敌军正在溃败。十几万美军正拥挤在那座桥上！只要有大炮，哪怕只有一门，朝着汉江桥猛轰一阵，这些美军就别想逃了。可惜啊，炮兵根本跟不上，一门炮也没有。他的部队只能深一脚浅一脚在冰冷的雪地里奔跑。想到这里，无奈的韩先楚，愤愤地跺了跺冻得杠杠硬的泥土。
对于李奇微来说，放弃汉城虽是迫不得已的选择，但并非一个难以做出的决策。在他看来，汉城作为韩国的首都，放弃它更多地是具有政治象征意义，军事上却并没有太大价值。
因此，当他离开设在汉城市的第8集团军指挥部时，竟然还有心情让勤务兵把一件破旧的法兰绒睡衣钉在办公室的墙壁上。上面写着“谨致中国志愿军司令官”，并以“第8集团军司令官”签名。美国的战争史中描写到，李奇微离开汉城指挥所时回头一望，看到那件睡衣的下摆在微风中轻轻摇曳，仿佛带着一丝嘲弄的意味。
1月3日12时，正值李奇微发布撤退命令之日，志司提出了“战役第二步部署”的设想，并向韩先楚及各军首长征询意见。事实上，在这份征求意见的电文发出之前，韩先楚已于2日8时30分向右集团各军下达了“攻击议政府及追击敌军的部署”。韩先楚判断，“清平里、议政府、高阳一线的敌军极有可能向南撤退”。他据此作出决定：
如果议政府和高阳一线的敌军已向南撤退，第40军和第38军则分别向清平里、磨石隅里以及九岩里方向进军，准备渡过北汉江；第39军将通过议政府向金谷里地区推进，视敌情决定是否渡过汉江；第50军则从高阳出发，向汉城发起进攻，趁敌军混乱时迅速占领汉江大桥，伺机渡过汉江，并将汉城的防守任务移交给人民军第1军团负责。
仅仅一个半小时后，韩先楚再次发来电报，表达了他对战场局势变化的新见解。
韩先楚认为，既然敌军撤退迅速，难以捕捉，继续追击只会让部队徒劳疲惫，不如派少量兵力进行尾随跟踪，并在汉江南岸保持一个桥头堡阵地即可。至于整个战役，到此为止已经可以告一段落了。
志司依然坚持趁胜追击，进一步扩大战果。他认为，如果志愿军主力停留在汉江北岸按兵不动，敌军很可能会在汉江南岸转入防守态势，这将不利于下一步春季攻势的准备。因此，当前的进攻行动还不能中止。
1月3日白天，第38军第114师的两个团（第340团和第341团）在汉城北面的水落山与敌军接战。地图显示，水落山如今位于首尔郊区范围内，距离汉城仅一步之遥。
下午16时，第38军电告韩指称“汉城敌军似有撤退迹象”，已命令第114师“派遣部分兵力接近汉城，侦察敌方工事和动态，主力部队随时准备占领汉城”。然而，正是这片刻的拖延，使得第38军错失了率先进入汉城的良机。
1月3日18时，韩先楚下达命令：第38军派第113师向汉城东南推进，第114师向汉城东部进攻；第40军派第118师进军汉城东北方向；第39军派第116师向汉城正北发起攻击；第50军则向汉城西部及西南展开攻势，力求在汉江北岸围歼在“联合国军”撤退过程中担任后卫的美军第24师。
直到此时，志愿军方面尚未掌握美军对汉城是选择坚守还是放弃的确切情报。正向汉城逼近的志愿军右集团各部队，因局势不明朗而放慢了前进速度。
1月4日12时，第39军军长吴信泉电告韩指：第116师已派遣部队向汉城搜索前进，但尚未收到关于敌军是否已全部撤离汉城的报告。
当天下午，战火弥漫的南朝鲜“首都”汉城迎来了中国第39军第116师和人民军第1军团的进驻。至此，第39军成为了同时解放朝鲜平壤和汉城这两座首都的英雄部队。这也是自甲午战争之后，中国军人第一次打进外国的首都。
第50军第149师442团1营也在当晚进入了城内。
在此过程中，除了人民军的一部队与美军一个坦克营交战，击毙敌军200人，缴获坦克两辆、汽车46辆外，其他各部队未发生重大战斗。由于美韩军在撤退时对汉城进行了毁灭性的破坏，收复后的汉城已经变成了一片废墟，古都的风貌彻底消失。
次日，汉城和平壤两座朝鲜半岛上的核心城市同时响起240门礼炮的轰鸣，庆祝中朝军队取得的巨大战果。
中国军队攻占汉城的消息传回国内，举国上下为之振奋，最后一丝关于能否战胜美国的疑虑也随之烟消云散。天安门广场上，人们彻夜举行庆祝活动……
汉城被占领后，是否渡过汉江继续向南追击，意见出现了分歧。
吴信泉致电韩指和志司首长，提出了以下几点建议：
（一）我军突破临津江后，敌军所受打击并不严重，估计他们可能会退守汉江。因此，若我军继续南下追击至汉江以南，需做好充分的准备。
（1）汉江大概还没有封冻，具体渡河地点的侦察需要一定时间。
（2）由于炮兵弹药尚未补充完毕，当前尚无法渡过临津江。
（3）部队自三十日晚进入阵地以来，已经连续五天五夜无法得到休息，极度疲惫，急需恢复体力。
（4）部队中有千余名伤病员分散在各地，仍需将其集中后再进行转运。
（5）部队亟需补充粮草和弹药。
（二）如果敌军不守汉江并继续向南撤退，而我军追击难以进行大规模歼灭战，建议仅派遣数个支队，协同人民军渡江，占领三七线以北区域。
这个建议大致反映了志愿军各部的实际情况，具有一定的代表性。
志司在分析了攻占汉城后的局势以及下一步战役的需求后，提出了“乘胜再鼓一把劲”的要求，最终决定让部队继续渡过汉江作战，迫使汉江南岸的敌军后撤，为春季攻势的准备创造有利条件。
人民军第1军团留下1个师接替防守汉城，主力部队则渡过汉江，伺机夺取金浦机场和仁川港；右纵队（集团）仍由韩先楚统一指挥，命令第50军一部迅速控制汉江桥梁，占领汉江南岸的滩头阵地。
如敌军继续向南撤退，则紧追并占领水原待命；第38、第39、第40军原地休整3天（至7日止），准备从清平川附近渡过北汉江，首先进攻驻守杨平的敌军，随后由东南向西北推进，攻击利川、广州、水原、永登浦地区的敌军；吴瑞林与周彪继续统一指挥第42军和第66军，方虎山仍负责指挥人民军第2、第5军团，按照原计划消灭洪川、横城地区的敌军后待命，并在右纵队再次发起进攻时，准备配合作战。
这一部署中，右集团三个主力军的运用尤为引人注目。
首先，渡江路线选择了清平川的上下游区域，而不是正面直接渡过汉江，主要原因是北汉江在清平川附近的河面已经结冰，便于大部队顺利通过。其次，进攻路线计划从杨平向南推进，抵达利川后再向西转向，到了水原后再折向北，绕过南汉江以西的一大片区域。
如果美韩军队坚守汉江南岸防线不动，这次包围打击行动便可能顺利展开，从而在汉江以南形成大规模围歼战的局面。
然而，美军撤过汉江后，并未将新的防线设在汉江南岸。李奇微认为，汉江已经开始结冰，作为天然屏障的战术价值即将丧失，因此不适合用作新防线。他最初计划让美军主力退守水原至杨平一线，但由于洪川失守，右翼安全无法得到保障，遂决定进一步向南撤退，将新防线设定在三七线附近的平泽、安城、堤川和三陟一线。
这条防线在原州以西与战前划定的“d线”重合，而在原州以东则向南回缩，最远处甚至退至“d线”以南约60公里。新防线距离汉城大约55公里。\"联合国军\"撤退的部队乘车疾驰，仅需一两个小时便能抵达。而对于完全依赖步行，且白天还必须隐蔽防空的志愿军来说，这无疑是一段不短的路程。
1月5日中午，第39军侦察分队报告称，汉江以南15公里范围内已无敌军踪迹。吴信泉于当日下午15时将此情电报彭德怀、韩先楚等人，建议第50军连夜渡江，其他各军则无需再经清平川绕道，可直接从汉城过江。
从5日晚开始，志愿军和人民军部队陆续跨过汉江向南推进。到8日，右集团各部相继占领了水原、金良场里、金浦和仁川等地；左集团各部则攻占了砥平里、杨平、骊州、利川、洪川等地区。与此同时，人民军第2、第5军团也占领了原州和横城，并继续向荣州方向追击。
从5日开始，除了少数执行威力侦察任务的分队外，志愿军主力基本上已经在战场上与美韩军队脱离了接触。
8日，“联合国军”在中朝人民军队打击下，撤至北纬37°线附近的平泽、安城、堤川、三陟一线。鉴于在整个战役过程中志愿军和人民军并未能歼灭敌人的重兵集团，“联合国军”的后撤似有计划进行，企图诱使中朝人民军队深入后重演仁川登陆的一幕。
在志愿军内部，由于连续作战加上持续推进，后勤线压力越来越大，许多单位都需要人员补充才能重新恢复战斗，同时因为连续三次战役的胜利，志愿军与人民军内部也开始出现轻敌思想，对于停留在三七线以北，甚至是准备放弃汉城都有所怨言，认为可以从北到南一次解决，将美军彻底赶下海。
为了遏制这种想法的蔓延，彭德怀在第三次战役结束前还专门开过一次会议，对当前的局势进行了深刻分析才使得志愿军内的轻敌思想被遏制。
为解决志愿军南进过远而产生的各种不利影响，同日，志司果断决定停止追击行动，志愿军及时停止了脚步，开始转入防御态势，一边努力维持后勤线完整，一边防备联合国军反击，第三次战役即告结束。