5月20日，李奇微指揮的「聯合國軍」按照預定計劃發動全線反攻，總兵力達到四個軍，十三個師。雙方在前線展開激烈戰鬥。5月21日，由於補給已經出現較大困難，在美軍明顯的反攻態勢面前志願軍總部發佈命令，盡快結束五次戰役。前線志願軍和朝鮮人民軍各部收縮兵力，開始向三八線方向後撤。
東線和中線各軍，依托險峻的山地，經過麟蹄館向北方退卻。斷後的60軍遭到美軍猛烈攻擊，儘管軍長韋傑堪稱一代名將，但已經疲憊不堪的部隊在優勢美軍的攻擊下如同壓彎的弓弦岌岌可危，180師落入美軍包圍。
西線各軍，正處在漢江兩岸，這裡主要是平原和丘陵，和平時期是朝鮮最富庶的稻米產區。無險可守的情況下，美軍如同附骨之蛆一樣緊緊追趕，斷後的一個軍僅僅三天就連連告急。
十幾萬志願軍官兵中，除了大批的傷員以外，幾乎都在徒步後撤。緊緊跟在他們後面的，是美軍的坦克，汽車和裝甲車。很多當時的老兵回憶，向鐵原的後撤是一生中少有的窩囊仗。老兵的原話是：「我們白天走，晚上走，不停步地走，剛想停下來歇口氣，美國兵已經到身後了。」美軍的汽車只要加一下油門，就可以趕上志願軍走上兩個鐘頭的了。
在朝鮮坎坷不平的道路上，志願軍的體力在急劇消耗。在平原丘陵地帶，大兵團對大兵團，裝甲部隊追擊徒步行軍的步兵，以被稱作「范弗裡特炮火」的強大火力攻擊缺少彈藥和口糧的敵軍；在鐵原南面的整個戰場上，一切，似乎都落入了美軍最熟悉的套路。