5月22日中朝部隊北撤時，聯(lián)合國軍新任總司令李奇微根據(jù)對我軍“肩上后勤”能力的估算，認為我軍一次集中進攻已過5天，糧彈基本耗盡，又沒有得到新的補充，銳氣已失，于是使用其以逸待勞、未受大的損失的美軍7個師為主力(每師約1.8萬人)，連同南朝鮮軍共計13個師，在志愿軍北撤的同時進行全線反攻。

這次美軍反撲時，改變了上次戰(zhàn)役中穩(wěn)扎穩(wěn)打的戰(zhàn)術(shù)，大膽地以機械化步兵、炮兵、坦克組成特遣部隊，在大批飛機掩護下，沿公路向志愿軍縱深迅速穿插，搶占橋梁和渡口，配合后續(xù)部隊包圍志愿軍后撤部隊。當(dāng)時，志愿軍部隊未安排好交替掩護，第3兵團電臺又被敵機炸毀，所屬部隊失去指揮達3天之久。在中線部隊一時出現(xiàn)混亂，加上一些指揮員缺乏現(xiàn)代技術(shù)兵種的知識，在前沿布置掩護部隊時不注意破壞橋梁，也未很好地以火力封鎖道路，而是把兵力集中在山頭上，結(jié)果敵軍一旦突破前沿，就能于3天內(nèi)在我方縱深推進50~80公里，造成了我方在轉(zhuǎn)移中十分被動的局面，一部分志愿軍被截斷在“三八線”以南。

面對突然出現(xiàn)的嚴(yán)重局面，被截斷的志愿軍部隊大多表現(xiàn)出英勇頑強的戰(zhàn)斗作風(fēng)。由于敵軍先遣部隊兵力不多，敵步兵又多缺少近戰(zhàn)的勇氣，主要依賴火力進行封鎖攔截，突圍堅決的部隊都獲得了成功。只有少數(shù)領(lǐng)導(dǎo)不力的部隊如第3兵團第60軍所屬的第180師受到嚴(yán)重損失。

志愿軍第一線部隊全線北撤時，第180師正在北漢江以南，負責(zé)掩護第3兵團主力轉(zhuǎn)移。5月25日，180師渡過北漢江后，即被美軍機械化部隊截斷。這時，該師電臺即與軍部失去了聯(lián)系。彭德懷得到3兵團報告后，即電令3兵團副司令王近山速派60軍另外兩個師前去救援，但3兵團司令部電臺又被炸，一度與所屬各軍失去聯(lián)系，前去救援的兩個師也措施不力，未能聯(lián)系上。第180師領(lǐng)導(dǎo)在危急關(guān)頭一時出現(xiàn)慌亂。這時部隊雖已斷糧，但師里還有騾馬數(shù)百匹，如宰殺可供部隊食用幾天，缺乏經(jīng)驗的師領(lǐng)導(dǎo)竟未下令，任由騾馬跑散。隨后，部隊忍饑后撤。由于缺少白天作戰(zhàn)的信心，該師只在夜間行動，加上饑餓疲勞，結(jié)果在敵人火力封鎖下行動遲緩，且途中失散者甚多。在這種人心不穩(wěn)、地形不熟的情況下，本該集中力量打出去，但該師領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過爭論，最后決定毀掉電臺、分散突圍，一時形成干部脫離戰(zhàn)士的各自行動，建制的戰(zhàn)斗單位解體。5月27日，美軍向該師所在地發(fā)起進攻時，除該師幾百名干部和經(jīng)驗較多的骨干零散跑回外，其余人員只有少數(shù)抵抗到最后，多數(shù)失去抵抗而被俘。在這次嚴(yán)重失利中，第180師損失7000多人，其中5000多人被俘。這是志愿軍在戰(zhàn)爭中被俘人員最多的一次。

志愿軍北撤中一時出現(xiàn)的混亂只持續(xù)了幾天。5月27日后，為穩(wěn)定局勢，彭德懷決定部分軍停止休整計劃，以8個軍在全線實行阻擊，戰(zhàn)局即穩(wěn)定下來。在節(jié)節(jié)阻擊的同時，我方又在后方建立三道防線，并調(diào)集兵力，準(zhǔn)備待敵深入三八線以北時再反擊。到6月10日，敵軍也在“三八線”一帶全線轉(zhuǎn)入防御。至此，第五次戰(zhàn)役結(jié)束。

在第五次戰(zhàn)役中，中朝聯(lián)軍以百萬之師，連續(xù)奮戰(zhàn)50天，共殲敵8.2萬人，我方作戰(zhàn)部隊損失8.5萬人。特別是戰(zhàn)役后一階段，部隊在后撤中有2萬人失蹤。其中第3兵團因一時出現(xiàn)混亂，失蹤人員達1.63萬人。美方則宣稱在5月下旬俘虜我方1.7萬人，這一數(shù)字占朝鮮戰(zhàn)爭中志愿軍被俘總?cè)藬?shù)的80％，這是抗美援朝戰(zhàn)爭中志愿軍作戰(zhàn)僅有的一次嚴(yán)重損失。