东线作战使韩国４个师全部被击溃，２０日东线韩军撤至九城浦里、丰岩里、下珍富里地区。美军第１０军主力逐次东移。美３师和韩国第８师以摩托化行军，仅十几个小时就行进１００多公里，迅速堵塞了缺口，建立了纵深防御。至此，“联合国军”又形成东西相联的完整防线。
中朝人民军队经过连续作战部队相当疲劳，前线各军大部已断粮，继续进攻已有困难。加之战役未消灭美军师、团建制部队，为保持主动，使主力休整，遂于２１日停止进攻。第二阶段作战共歼敌２.３万余人。
中朝人民军队为争取主力集结休整，总结作战经验，造成尔后有利态势，决定主力北移“三八线”南北地区。为掩护主力转移和休整，各兵团留１个师至１个军的兵力，进行机动防御，迟滞敌人前进。
５月２２日，３９军、１５军首先开始北撤。２３日晨，“联合国军”集中４个军１３个师的兵力，在我主力尚未转移之时，实施全线反扑。敌军以摩托化步兵、炮兵、坦克组成的“特遣队”为先导，在航空兵掩护下，主要沿汉城至涟川、春川至华川、洪川至麟蹄公路两侧地区，多路向我实施反扑。
我军向后转移，本是胜利后的回师，部队思想出现麻痹。由于对敌人迅速实施全线反扑估计不足，以致转移的组织计划不够周密。担任运动防御的部队，有的尚未进入防御地区，有的虽已进入但未很好控制要点与公路，未能组织有效的交替掩护。因此，全线出现多处空隙，使敌“特遣队”得以乘隙而入，造成了我军在转移初期十分被动的局面，中部战线出现了一时的混乱。其中第６０军由于有大批伤员等待后运，奉命仍在原地阻击敌人，而未能进入预定地区布防。
敌军一旦突破前沿后，利用机械化行军，三天内就可向我纵深推进了５０～８０公里。至２４日，我军最确定的机动防御开始线未及形成，即被敌突入。志愿军一些部队被阻隔在敌人后方，包括志愿军第１２军军部和下属两个师、第２７军和第６０军１８０师，其中穿插最远的１２军９１团被远隔敌纵深９０公里处的下珍富里以北三巨里地区。
在危机情况下，被截断的志愿军部队大都表现出顽强勇敢的作风，利用夜暗向敌人冲击，成功突出包围。其中第２７军主力在极其困难下，在麟蹄、县里地区英勇抗击美军第２师、空降第１８７团、韩国第５师的进攻，将其阻于昭阳江南北地区，有力地掩护伤员后送和主力转移。中线之第１２军于２４日晚乘敌军先头部队向前推进的空隙，越过杨口成功向金化转移。该军第９１团在被隔绝在深远敌后的困难情况下，一路寻食野菜，夺取敌人武器，全团绕道翻越雪岳山突围而出，于５天后与主力成功回合。
第６０军第１７９、第１８０师在春川方向北汉江两岸地区顽强抗击美军第７师、陆战第１师、韩国第６师的进攻。战至２５日黄昏，因敌乘隙突入，第１８０师被隔断在北培山、驾德山、梧月里地区。突围时由于指挥失误和组织接援不力，同时未能很好查明情况，集中全力从敌间隙中坚决突围，而采取了分散突围的办法，以致造成了重大损失。
２７日，中朝人民军队迅速将志愿军第６３、第６４、第１５、第２６、第２０军及人民军第２、第３、第５军团主力，展开于临津江、汉滩川以北、芝浦里、华川、杨口、杆城地区进行防御。防守部队有重点地配备兵力，以火力封锁敌主要进攻方向的公路、铁路，并机动灵活地出击，积极打击敌人。２８～３０日，第６５军对进攻涟川之美军第１军实施反击，第２０军对进占华川地区之美军第９军实施反击，各歼其一部，并收复华川。
６月１日，志愿军第４７、第４２、第２０、第２７军于新幕、伊川、鸡雄山、黑云吐岭一线构成纵深防线。６月１０日，我军主动撤出铁原、金化，将敌军阻于“三八线”附近之汶山、高浪浦里、铁原、金化、杨口、明波里一线，敌我双方均转入防御，第五次战役遂告结束。
此役，中朝人民军队共投入了十五个军的兵力，连续奋战５０天，毙伤俘敌人８. ２万人，挫败了“联合国军”以侧后登陆配合正面进攻、在朝鲜蜂腰部建立新防线的企图，摆脱了第四次战役时的被动局面，锻炼了新入朝的部队。经过这次较量，“联合国军”不得不转入战略防御，被迫接受停战谈判。
此役，我军亦付出相当代价，战斗减员达８. ５万人（伤、亡、失踪）。敌我伤亡对比１：１. ０３８。
