砥平里原本被朝鲜人民军占领，李奇微发动“围歼行动”后，美第2师23团和法国远征军特遣营迅速北进，于2月3日占领了砥平里。1951年2月13日下午5点半，中国人民志愿军各部按照原计划对砥平里发起了攻击。
39军115师的334团、343团、345团向砥平里的美军发起了猛烈攻击。343团2营5连夺取了望美山一侧的要点，敌人连续发起五次反扑均被5连打退。344团3营攻占了砥平里东南的马山村高地，敌人发动反复冲锋夺回据点无果后，叫来飞机持续轰炸将山头削去了1米。5班阵地上只剩下班长段秀峰，战士赵旺。已经负伤的段秀峰端着轻机枪不停地向美军扫射，最终因流血不止壮烈牺牲。赵旺打光了子弹后，夜晚在美军死尸中匍匐着收集枪支弹药。第二天，美军又继续进攻，赵旺一人与美军周旋始终没有丢失阵地。
志愿军东线部队集中39军、40军、42军8个团1万余人的机动兵力对砥平里核心阵地发起了总攻。42军，66军主力和40军120师在原州以北及西南方向阻敌增援。朝鲜人民军则以一部兵力正面牵制南朝鲜第7师，其余兵力向平昌、旌善方向发起攻击。
由于志愿军情报发生错误，误以为砥平里之地已逃跑大半，只剩4个营的兵力，因而8个团的志愿军战士在没有重火力支援的情况下仍使用*打法拼命进攻砥平里阵地防御圈中的敌人。此时，防御圈内的敌人有美23团全部，1个法国营，1个炮兵营，1个榴弹炮连，1个坦克连共计6000余人，且构筑了异常坚固的防御工事，外围布置了铁丝网和地雷阵。志愿军战士在仅有的迫击炮支援下，尽管不怕牺牲英勇顽强地作战，但效果并不理想，当晚仅歼敌一部未能解决战斗。14日，志愿军调整部署，再次以6个团的兵力发起进攻，把敌人压缩在2平方公里区域内，但由于没有重炮，在火力强大的美军面前，进攻一整天还是没有解决战斗。
15日，美骑1师一部在30多辆坦克，100多架飞机的支援下进至砥平里西南的曲水里，并和志愿军阻援部队116师、126师一部展开了激战。尽管美军步兵被打退，但是美军的坦克冲进了砥平里和守军汇合，鉴于此种情况，继续攻击砥平里已经失去意义，志愿军总部经过短暂讨论后命令部队16日拂晓前撤出战斗向北转移。此战，志愿军攻坚部队牺牲了2000多名战士。
与此同时，西线的38军和50军的一个团在极端困难的情况下，依然在汉江南岸的武甲山、南治砚一线，抗击着联军大量步兵、坦克、炮兵、飞机的连续进攻，始终不肯退让一步，付出了极大的牺牲。直到砥平里战斗停止后，38军和50军1个团才奉命于16日、18日向汉江北岸转移。
此时，第二批入朝轮换部队，志愿军19兵团正在运输途中，3兵团，20兵团也准备从国内起运。渡过鸭绿江后，每夜大约只能发送9列火车，需要27天才能将19兵团运输完毕。在到达球场、龟城、平壤后仍然需要步行前往战场。预计第二轮作战的9个军共计27个师在4月上旬可全部部署在三八线上。首批入朝的的志愿军6个军在前四次战役中战斗伤亡及非战斗减员累计超过10万，但他们还需克服各种困难坚守到4月上旬待第二批部队抵达才能撤出战场转入休整。
朝鲜各地也正在如火如荼的修建着机场。志愿军的1个高射炮师、1个战防炮师和3个火箭炮团也正在运往朝鲜途中，4月计划再出动2个榴弹炮团。国内组建的人民志愿军空军也正在加紧训练中，朝鲜的机场一旦修建完毕立即进驻朝鲜，从苏联紧急购置的1.7万辆卡车也大部分调拨给志愿军使用。
志愿军和人民军各部在粮弹已极度匮乏的情况下，依靠一般的*工事，逐山逐水地节节抵抗，迫使联合国军的5个军14个师进展缓慢，一直到3月6日，美联军耗费了半个多月的时间才推进到杨平、横城、江陵一线把战线拉平。3月9日，志愿军50军、38军继续在陶谷里、李峰山、芙蓉山一线坚守阻击。42军、66军移至凤尾山、梅花山、五音山一线阻击。为节省兵力，志愿军和人民军第一梯队于10日起向北转移，用5天时间梯次向北转移至高阳、议政府、清平川、洪川江北岸一线。之后第二梯队各军各师接替防守，依次采用运动战防御战术向北转移至三八线以北地区布置防线。
3月14日，美25师、24师南北延汉江两岸前进，占领清平川截断了春川至汉城的公路；美骑1师、陆战1师，英27旅占领了洪川。南朝鲜第1、3军团进至草岘里、下珍富里一线。当天，人民军和志愿军主动撤出汉城。第二天15日，美第3师和南朝鲜第1师占领汉城。
此时，志愿军第3兵团已抵达安东、风城完成集结，随时准备入朝。元山地区休整完毕的第九兵团，兵员也得到补充，主力正在向金化和平康地区开进。志愿军总部预计3兵团和9兵团在4月中旬可以展开第五次战役反击。
