5月22日中朝部隊(duì)北撤時(shí)，聯(lián)合國軍新任總司令李奇微根據(jù)對(duì)我軍“肩上后勤”能力的估算，認(rèn)為我軍一次集中進(jìn)攻已過5天，糧彈基本耗盡，又沒有得到新的補(bǔ)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(gè)師為主力(每師約1.8萬人)，連同南朝鮮軍共計(jì)13個(gè)師，在志愿軍北撤的同時(shí)進(jìn)行全線反攻。

這次美軍反撲時(shí)，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(jī)械化步兵、炮兵、坦克組成特遣部隊(duì)，在大批飛機(jī)掩護(hù)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(duì)包圍志愿軍后撤部隊(duì)。當(dāng)時(shí)，志愿軍部隊(duì)未安排好交替掩護(hù)，第3兵團(tuán)電臺(tái)又被敵機(jī)炸毀，所屬部隊(duì)失去指揮達(dá)3天之久。在中線部隊(duì)一時(shí)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(shí)，在前沿布置掩護(hù)部隊(duì)時(shí)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(jìn)50~80公里，造成了我方在轉(zhuǎn)移中十分被動(dòng)的局面，一部分志愿軍被截?cái)嘣凇叭司€”以南。

面對(duì)突然出現(xiàn)的嚴(yán)重局面，被截?cái)嗟闹驹杠姴筷?duì)大多表現(xiàn)出英勇頑強(qiáng)的戰(zhàn)斗作風(fēng)。由于敵軍先遣部隊(duì)兵力不多，敵步兵又多缺少近戰(zhàn)的勇氣，主要依賴火力進(jìn)行封鎖攔截，突圍堅(jiān)決的部隊(duì)都獲得了成功。只有少數(shù)領(lǐng)導(dǎo)不力的部隊(duì)如第3兵團(tuán)第60軍所屬的第180師受到嚴(yán)重?fù)p失。

志愿軍第一線部隊(duì)全線北撤時(shí)，第180師正在北漢江以南，負(fù)責(zé)掩護(hù)第3兵團(tuán)主力轉(zhuǎn)移。5月25日，180師渡過北漢江后，即被美軍機(jī)械化部隊(duì)截?cái)唷＿@時(shí)，該師電臺(tái)即與軍部失去了聯(lián)系。彭德懷得到3兵團(tuán)報(bào)告后，即電令3兵團(tuán)副司令王近山速派60軍另外兩個(gè)師前去救援，但3兵團(tuán)司令部電臺(tái)又被炸，一度與所屬各軍失去聯(lián)系，前去救援的兩個(gè)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(shí)出現(xiàn)慌亂。這時(shí)部隊(duì)雖已斷糧，但師里還有騾馬數(shù)百匹，如宰殺可供部隊(duì)食用幾天，缺乏經(jīng)驗(yàn)的師領(lǐng)導(dǎo)竟未下令，任由騾馬跑散。隨后，部隊(duì)忍饑后撤。由于缺少白天作戰(zhàn)的信心，該師只在夜間行動(dòng)，加上饑餓疲勞，結(jié)果在敵人火力封鎖下行動(dòng)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(zhēng)論，最后決定毀掉電臺(tái)、分散突圍，一時(shí)形成干部脫離戰(zhàn)士的各自行動(dòng)，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(jìn)攻時(shí)，除該師幾百名干部和經(jīng)驗(yàn)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(zhēng)中被俘人員最多的一次。

志愿軍北撤中一時(shí)出現(xiàn)的混亂只持續(xù)了幾天。5月27日后，為穩(wěn)定局勢(shì)，彭德懷決定部分軍停止休整計(jì)劃，以8個(gè)軍在全線實(shí)行阻擊，戰(zhàn)局即穩(wěn)定下來。在節(jié)節(jié)阻擊的同時(shí)，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(shí)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(duì)損失8.5萬人。特別是戰(zhàn)役后一階段，部隊(duì)在后撤中有2萬人失蹤。其中第3兵團(tuán)因一時(shí)出現(xiàn)混亂，失蹤人員達(dá)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(zhēng)中志愿軍被俘總?cè)藬?shù)的80％，這是抗美援朝戰(zhàn)爭(zhēng)中志愿軍作戰(zhàn)僅有的一次嚴(yán)重?fù)p失。