在得到苏联的保证后，毛泽东坚定了出兵朝鲜的决心。但是斯大林出尔反尔，苏联很快又表示苏联的空军暂时不会出动。毛泽东大吃一惊，13日，毛泽东再次倡导召开了关于朝鲜局势的紧急会议，并最终决定出兵朝鲜。同日，罗申将毛泽东的决定通报给斯大林，毛泽东再次表示中国方面的唯一要求是：“必须有掩护我们的空军，我们希望它尽快到达，无论如何也不应迟于两个月。”14日，中国正式通报苏联决定出兵，斯大林非常感动，并正式通知了金日成，同时表示将为中国人民志愿军提供技术装备。19日，中国人民志愿军正式跨过鸭绿江，25日同美军交火，中国人民志愿军的抗美援朝正式开始。

中国人民志愿军的参战改变了朝鲜人民军的不利局势。1951年，朝鲜战争进入相持阶段，双方决定通过谈判走向停战。1951年7月10日，双方开始进行谈判，从此朝鲜战争进入了一个边打边谈、军事斗争和外交斗争交织进行的阶段。1953年7月27日，朝鲜、中国和联合国双方代表团的首席代表在板门店签署了《朝鲜停战协定》和两个附件，即《临时补充协议》和《中立国遣返委员会的职权范围》。有意思的是，不像一般谈判成功后的握手与拥抱，交战双方的代表签字后几乎同时起身扬长而去，没有握手，没有拥抱，甚至没有对视，它似乎也预示了这之后将近20年的东北亚阵营对峙的局面。7月27日22时，朝鲜战场的交战双方完全停止了一切战斗行为，朝鲜战争正式结束。

朝鲜战争提高了中国的国际地位，同时也使美国在把“一只眼睛仍盯住莫斯科”的同时，另一只眼睛已经转到北京头上。以朝鲜战争的爆发为起点，美国在继续与苏联进行激烈对抗的同时，中国也成为美国遏制战略实施的主要对象。朝鲜战争确定了之后20多年中美关系的基调：中国与美国互相对峙，保持疏远，成为死敌。