聯合國軍在仁川登陸後，朝鮮半島局勢逆轉，金日成軍隊潰敗北退。北京警告美國，如果跨過三八線，就會出兵。10月1日，韓國第一批部隊進入朝鮮。同日，朝鮮勞動黨委員長金日成致信中共中央主席毛澤東，提出出兵援助朝鮮的請求。同日，史達林向毛澤東發來電報，建議：「你們如欲支持朝鮮，至少應將五六個師迅速推進至三八線，以便朝鮮同志能在你們部隊的掩護下，在三八線以北組織後備力量。
中國師可以志願者身份出現，當然，由中國指揮員統率。」10月2日，毛澤東主持召開中共中央書記處會議，討論朝鮮半島局勢和中國出兵問題；毛澤東認為出兵朝鮮已是萬分火急；原擬派林彪率兵入朝，林彪託病推辭；毛澤東便決定派彭德懷掛帥出戰；會議決定10月4日召開擴大中央政治局會議，正式討論志願軍入朝作戰問題。雖然不少人認為國內百廢待興，無力參與大規模戰爭，但毛澤東支持介入，周恩來亦同意。
10月5日，中共中央政治局擴大會議決定出兵援朝。同日，受毛澤東委託，鄧小平將彭德懷從北京飯店接到中南海毛澤東辦公室；毛澤東把掛帥出兵之重任交給彭德懷時，彭德懷說：「我服從中央的決定。」。
10月8日，根據朝鮮政府要求，中央人民政府人民革命軍事委員會主席毛澤東發出組織中國人民志願軍赴朝參戰之命令，命令中宣布「任命彭德懷同志為中國人民志願軍司令員兼政治委員」。同日，周恩來和林彪代表中共中央，秘密飛往蘇聯同史達林商談；10月11日周恩來林彪聯名致電毛澤東，蘇聯可以完全滿足中國提出飛機、坦克、大炮，但是蘇聯空軍在兩個月或兩個半月後才能出動。毛澤東電令：將東北邊防軍改為中國人民志願軍入朝。中方資料稱，以美軍為首的聯合國軍飛機頻繁侵入中國領空，掃射、轟炸了位于丹東的文物市場、浪頭機場等地。
美國空軍不斷侵入領空，轟炸邊境城鎮。當時的口號是「抗美援朝，保家衛國」。 10月18日，毛澤東主持召開中央會議，在聽取周恩來和彭德懷匯報後，最後敲定志願軍入朝作戰時間，當晚9時電令鄧華等：「四個軍及三個炮師決按預定計劃進入朝北作戰，自明十九晚從安東和輯安線開始渡鴨綠江，為嚴格保守秘密，渡河部隊每日黃昏開始至翌晨四時即停止，五時以前隱蔽完畢並須切實檢查。」10月19日，中國人民志願軍第42軍率先從輯安（今集安市）渡鴨綠江進入朝鮮半島作戰。抗美援朝戰爭開始。戰爭初期，這一名稱讓聯合國軍誤以為這不過是一支小規模的志願者隊伍。
後來聯合國軍弄清志願軍是建制的正規部隊，只是使用完全不同的番號後，也默認「志願軍」這一名稱，以將戰爭限制在朝鮮半島，避免將戰爭升級。10月21日，毛澤東致彭德懷等電：「美偽均未料到我志願軍會參戰，故敢於分散為東西兩路，放膽前進……此次是殲滅偽軍三幾個師爭取出國第一個勝仗，開始轉變朝鮮戰局的極好機會」。同日毛澤東致鄧華等電：「現在是爭取戰機的問題，是在幾天之內完成戰役部署以便幾天之後開始作戰的問題，而不是先有一個時期部署防禦然後再談攻擊的問題。」10月23日，毛澤東電令鄧華等第13兵團領導人迅速與彭德懷會合，在彭德懷領導下決定戰役計劃：「敵進甚急，捕捉戰機最關緊要。兩三天內敵即可能發覺是我軍而有所處置，此時如我尚無統一全軍動作的處置，即將喪失戰機。」
美國一直認為中國不會出兵。10月15日杜魯門在威克島會見麥克阿瑟，麥克阿瑟向杜魯門說他希望能在聖誕節之前撤回第8集團軍，並再次向其保證：「中國和蘇聯出兵干預的可能性非常小，中國在東北有30萬軍隊，只有五六萬人可以渡江作戰。如果中國人試圖推進到平壤，他們一定會遭到人類歷史上最慘重的傷亡。」但實際上中國初期出兵達到30萬。