第五次战役结束后，朝鲜战场的交战双方决定开展和平谈判。朝中方面组建了以李克农为团长的谈判代表团，分为三线：第一线由朝鲜人民军南日大将和志愿军副司令邓华直接出面谈判；第二线是谈判前方指挥部，乔冠华、李克农负责与中央联系；第三线为最高决策层，由朝中最高领导人协商确定总体方案、方针和原则。

1951年7月10日，停战谈判于开城来凤庄正式开启。谈判中，双方都期望在利益最大化的前提下达成和谈，其中军事分界线划分、停战监督以及战俘交换是三个核心问题。

朝中的谈判策略是开诚布公，一开始就提出双方同时停火、以三八线为军事分界线和撤退一切外国军队等议程草案。然而，美国是在未取得胜利且迫于国内外压力的情况下进行谈判，极不情愿的情绪使其对朝中的三项建议直接拒绝，称只讨论纯粹军事问题，还拿出包含9项议程的提案，其中不提三八线和撤军之事。美国企图拖延谈判，他们认为朝鲜战争的打打停停能拖慢中国经济发展，加重苏联负担影响中苏关系，吸引中国军事重心北移以减轻台湾军事压力。

朝中随即提出五项议程方案，包含三八线为军事分界线和撤军问题，但美国又以是政治问题为由拒绝。于是，在谈判最初的议程讨论阶段就陷入僵局。经过近两周讨价还价，双方敲定议程，包括通过议程、确定军事分界线与建立非军事区、停火与休战的具体安排、俘虏安排问题以及向双方有关各国政府建议事项。

随后进入军事分界线的实质性谈判。朝中坚持以三八线为军事分界线，但美国出尔反尔，以海空军优势为由要求12000平方公里的土地补偿，甚至包括平壤、开城等重要城镇，这种无理要求被朝中代表断然拒绝。美国见强硬态度无用，便以沉默消磨朝中耐心。1951年8月10日谈判中，美方代表在朝中代表发言后拒不发言，双方沉默对抗达132分钟，最后美方休会退席，创下25秒的最短谈判时间纪录。

美国意识到谈判桌上占不到便宜后，确定了施加军事压力促使朝中接受其停战条件的方针，还扬言“让大炮和机枪去辩论”。8月18日，美军一个师和韩军两个师发动夏季攻势，企图夺取人民军阵地以改变防御态势，迫使朝中在谈判中让步。同时，美国发动空中绞杀战，意图摧毁朝鲜北方铁路运输系统。期间还发生韩国武装人员埋伏朝中军事警察致志愿军排长牺牲，以及美空军轰炸朝中代表团住所却倒打一耙之事。

面对美国的咄咄逼人，志愿军决定针锋相对。但此时志愿军面临新挑战，之前多采用近战、夜战和大规模穿插迂回的运动战战法，第五次战役后战线相对稳定，战斗形式转为阵地攻坚与阵地防御的阵地战，而志愿军各级指战员普遍缺乏阵地战经验。

在夏季攻势中，联合国军每日以6 - 13个营的兵力，在飞机、坦克和炮火支援下猛攻朝鲜人民军阵地。但人民军顽强阻击和反击，联合国军付出1.6万人伤亡代价，仅部分阵地推进2 - 6公里。9月1日，联合国军再次发动攻击，人民军在851高地顽强阻击美2师和韩军两个师6个昼夜，给予美2师大量杀伤，该高地被美军称为“伤心岭”。志愿军为配合人民军作战也发动战术反击，还加强了东西海岸防御。9月18日夏季攻势结束，朝中军队毙伤俘敌7.8万人，联合国军虽付出巨大代价但未实现预定目标。

夏季攻势失败后，美国并未放弃军事施压，9月29日发动规模更大的秋季攻势。志愿军调整战场部署，在正面第一线安排6个军防御，炮兵力量增强。在西线，47军、64军遭受美、英军猛烈进攻。47军扼守夜月山阵地的一个连与美军激战数日，打退14次冲锋；140师418团创造全歼美军两个连的模范战力；64军191师571团一个连依托坑道工事坚守3昼夜，毙伤敌700余人。在20天里，志愿军顶住敌军炮火猛攻，毙伤俘敌2.2万余人，西线攻势被粉碎。

在东线，68军刚接防，面临诸多不利仍顽强抗击美军13个昼夜的进攻，还组建反坦克大队，612团3营战士胡连创造一天击毁4辆坦克的战绩。67军阻击美、韩军的疯狂进攻，599团3个连连续抗击美军3个昼夜的猛烈进攻，成功突围且毙伤美军4000余人。10月22日，美军伤亡惨重无力进攻，秋季攻势被粉碎。志愿军在秋季防御作战中毙伤俘敌7.9万人，且迅速总结阵地战经验，建立以坑道为骨干与野战工事相结合的防御体系，还拆卸未爆炸的炮弹炸弹补充弹药。

10月25日，中断两个多月的停战谈判在板门店重启。由于夏秋攻势失败，美方态度收敛，但在新的军事分界线方案中，仍无理要求志愿军和人民军后退1500平方公里，美军前进600平方公里以夺取开城，遭到朝中代表团驳斥，谈判再次陷入僵局。

为配合谈判，彭德怀决定志愿军进行战术反击。从10月30日起，志愿军7个军向正面阵地进攻。11月4日，14军以3个营兵力在火炮和坦克支援下白天攻击英军阵地，全歼英军28旅3个连及另两个连大部；17军以11个连兵力攻击美军阵地，全歼美骑兵一师3个连；47军以3个营兵力再次反击，全歼美骑兵一师一个营及一个连。

一个月内，志愿军对26个阵地发动34次攻击，攻克21处，歼敌万余人。65军进行两次扫荡作战，50军在空军配合下连克14个岛屿，这是解放军首次陆空联合作战，志愿军空军创造了活塞式飞机击落喷气式飞机的战绩。

在停战谈判和地面作战进行的同时，中美在空中也展开绞杀与反绞杀作战。美军出动几乎所有远东飞机企图摧毁朝鲜北部铁路切断志愿军补给。1951年9月 - 12月，美军对三角地区狂轰滥炸，而朝鲜的洪水又冲坏许多铁路桥梁和公路桥梁，志愿军后勤补给几近瘫痪。

志愿军针对后勤问题给出五条解决办法。一是充实铁道兵团，铁道部队采取集中对集中、机动对机动的抢修方案，还采取迷惑敌人的手段，美军都感慨共军抢修速度。二是压缩不重要物资运输，优先保证关键物资运输。三是划分防空区，高炮部队掩护铁路运输，高炮探照灯部队击落击伤不少敌机，高炮部队还采取重点保卫与机动作战相结合的方阵。四是志愿军空军与苏联空军共同作战，苏联空军投入多个航空军参战，在保护交通线、协助朝中空军作战等方面发挥重要作用，志愿军空军也积极参与轮战，涌现出王海等战斗英雄。五是开展建库运动，到1951年底共建8000余个仓库。通过这些措施，志愿军构筑起打不烂、炸不断的补给线，美国的绞杀战彻底失败。

1951年11月7日，朝中代表团提出以双方军队实际接触线为军事分界线，各自后撤两公里为非军事区的建议。美国虽表示接受但提出30天期限，幻想靠现代化装备推进战线。11月27日，双方达成协议，历时4个月的军事分界线谈判结束。朝鲜战争中的这一系列谈判与军事对抗，充分体现出双方在战争中的博弈与较量，也反映出战争走向和平的艰难历程。