5月22日中朝部队北撤时，联合国军新任总司令李奇微根据对我军“肩上后勤”能力的估算，认为我军一次集中进攻已过5天，粮弹基本耗尽，又没有得到新的补充，锐气已失，于是使用其以逸待劳、未受大的损失的美军7个师为主力(每师约1.8万人)，连同南朝鲜军共计13个师，在志愿军北撤的同时进行全线反攻。

这次美军反扑时，改变了上次战役中稳扎稳打的战术，大胆地以机械化步兵、炮兵、坦克组成特遣部队，在大批飞机掩护下，沿公路向志愿军纵深迅速穿插，抢占桥梁和渡口，配合后续部队包围志愿军后撤部队。当时，志愿军部队未安排好交替掩护，第3兵团电台又被敌机炸毁，所属部队失去指挥达3天之久。在中线部队一时出现混乱，加上一些指挥员缺乏现代技术兵种的知识，在前沿布置掩护部队时不注意破坏桥梁，也未很好地以火力封锁道路，而是把兵力集中在山头上，结果敌军一旦突破前沿，就能于3天内在我方纵深推进50~80公里，造成了我方在转移中十分被动的局面，一部分志愿军被截断在“三八线”以南。

面对突然出现的严重局面，被截断的志愿军部队大多表现出英勇顽强的战斗作风。由于敌军先遣部队兵力不多，敌步兵又多缺少近战的勇气，主要依赖火力进行封锁拦截，突围坚决的部队都获得了成功。只有少数领导不力的部队如第3兵团第60军所属的第180师受到严重损失。

志愿军第一线部队全线北撤时，第180师正在北汉江以南，负责掩护第3兵团主力转移。5月25日，180师渡过北汉江后，即被美军机械化部队截断。这时，该师电台即与军部失去了联系。彭德怀得到3兵团报告后，即电令3兵团副司令王近山速派60军另外两个师前去救援，但3兵团司令部电台又被炸，一度与所属各军失去联系，前去救援的两个师也措施不力，未能联系上。第180师领导在危急关头一时出现慌乱。这时部队虽已断粮，但师里还有骡马数百匹，如宰杀可供部队食用几天，缺乏经验的师领导竟未下令，任由骡马跑散。随后，部队忍饥后撤。由于缺少白天作战的信心，该师只在夜间行动，加上饥饿疲劳，结果在敌人火力封锁下行动迟缓，且途中失散者甚多。在这种人心不稳、地形不熟的情况下，本该集中力量打出去，但该师领导经过争论，最后决定毁掉电台、分散突围，一时形成干部脱离战士的各自行动，建制的战斗单位解体。5月27日，美军向该师所在地发起进攻时，除该师几百名干部和经验较多的骨干零散跑回外，其余人员只有少数抵抗到最后，多数失去抵抗而被俘。在这次严重失利中，第180师损失7000多人，其中5000多人被俘。这是志愿军在战争中被俘人员最多的一次。

志愿军北撤中一时出现的混乱只持续了几天。5月27日后，为稳定局势，彭德怀决定部分军停止休整计划，以8个军在全线实行阻击，战局即稳定下来。在节节阻击的同时，我方又在后方建立三道防线，并调集兵力，准备待敌深入三八线以北时再反击。到6月10日，敌军也在“三八线”一带全线转入防御。至此，第五次战役结束。

在第五次战役中，中朝联军以百万之师，连续奋战50天，共歼敌8.2万人，我方作战部队损失8.5万人。特别是战役后一阶段，部队在后撤中有2万人失踪。其中第3兵团因一时出现混乱，失踪人员达1.63万人。美方则宣称在5月下旬俘虏我方1.7万人，这一数字占朝鲜战争中志愿军被俘总人数的80％，这是抗美援朝战争中志愿军作战仅有的一次严重损失。