Chỉ sau 2 tháng tham chiến, quân TQ đã đẩy bật quân Liên hiệp quốc ra khỏi Bắc Hàn và lập lại chế độ Kim Nhật Thành. Bành Đức Hoài làm tư lệnh liên quân TQ-Triều Tiên, Kim chỉ là bù nhìn, vì quân Bắc Hàn chỉ có 75 ngàn người so với 450 ngàn quân TQ.

Bành Đức Hoài muốn ngừng lại ở vĩ tuyến 38 như cũ, nhưng Mao ra lệnh phải tiếp tục tiến về Nam. Đầu tháng 1-1951, thủ đô Hán thành sụp đổ. Ngày 25-1, quân đội Mỹ bắt đầu phản công. Quân TQ thiệt hại vô kể bởi chiến thuật biển người của họ. Bành bay về TQ gặp Mao, và được biết kế hoạch của Mao là "Chúng ta sẽ đánh thắng Mỹ bằng nguồn nhân lực dồi dào của ta. Đừng nóng lòng thắng liền, mỗi đợt đưa 300 ngàn quân sang, chết hết lại đưa tiếp".

Tháng giêng-1952, cuộc chiến kéo dài đã cả năm, Kim yêu cầu Mao chấp nhận đàm phán, nhưng Mao chống đối. Mao muốn dùng cuộc chiến Triều Tiên để đòi hỏi Stalin xây dựng nhà máy chế vũ khí cho TQ. Mặc dù muốn TQ đánh Mỹ thay mình, Stalin không muốn giúp TQ thành một cường quốc về quân sự nên Stalin từ chối, nhưng sau nhiều đòi hỏi cuối cùng Stalin đồng ý cất cho TQ vài nhà máy chế súng cỡ nhỏ. Mao không hài lòng.

Tháng 8-1952 quân Mỹ tổn thất khoảng 37 ngàn người ở chiến trường Triều Tiên. Con số này quá khiêm nhường so với tổn thất của TQ, nhưng sự ủng hộ của dân chúng Mỹ về sự tham chiến của Mỹ đã tụt xuống chỉ còn 33%. Nước Mỹ dân chủ không thể nào đương đầu với nước TQ độc tài về chuyện đếm xác chết. Chu Ân Lai lại được phái sang Liên Xô, lần này ông mang theo một lý lẽ vững chắc: TQ cuối cùng đã thắng Mỹ. Do đó, ông xin Liên Xô giúp cho 2 chuyện: "TQ cần được trang bị vũ khí tốt hơn, hiện đại hơn, nhất là về mặt không và hải quân" và "TQ phải là đầu tàu của phong trào cộng sản ở châu Á". Stalin vẫn bác bỏ yêu cầu đầu mà chỉ chấp thuận yêu cầu sau: TQ được phép thành lập và ủng hộ các mầm cộng sản ở các nước châu Á.

Một mặt khác, Stalin cũng biết ý đồ của Mao muốn cạnh tranh với mình nên đã nhiều lần bày tỏ một thái độ thân thiện khác thường với Bành Đức Hoài và Lưu Thiếu Kỳ. Trong lần Bành Đức Hoài và Chu Ân Lai công du Liên Xô, Stalin kéo Bành ra nói chuyện riêng, làm Chu rất tức giận. Một lần khác Lưu Thiếu Kỳ viếng thăm Liên Xô được báo Pravda gọi Lưu là Tổng bí thư ĐCSTQ. Lưu phải đính chính là ở TQ chỉ có Chủ tịch Mao Trạch Đông mà thôi. Stalin muốn hai người này lật đổ Mao, nhưng cả hai đều không dám làm chuyện đó.

Ngày 5-3-1953 Stalin chết. Mao được cho biết nếu sớm giải quyết cuộc chiến ở Triều Tiên thì Liên Xô sẽ cứu xét xây dựng nhà máy chế tạo vũ khí nặng cho TQ, nhưng lúc đó Mao đang mong muốn có bom nguyên tử nên từ chối đề nghị này của Liên Xô. Thêm nữa, để gây căm phẫn Mao còn tố cáo là quân đội Mỹ sử dụng vũ khí hoá học. Sau này dưới áp lực của Liên Xô, Mao phải rút lại lời tố cáo này và chấp nhận ngừng chiến.

Ngày 27-7-1953 hiệp định ngưng bắn diễn ra. TQ gửi sang Triều Tiên 3 triệu lính, theo ước tính của Liên Xô, TQ tổn thất khoảng 1 triệu quân. Đặng Tiểu Bình cho rằng TQ tổn thất khoảng 400 ngàn.

Trong số người chết có con trai của Mao, Mao Ngạn Anh. Vợ Ngạn Anh là Siqi (Tư Tề), "con nuôi" không chính thức của Mao. Khi Ngạn Anh báo cho Mao biết là Ngạn Anh muốn lấy Siqi, Mao lồng lên tức giận la hét tới độ Ngạn Anh té xiủ. Sự tức giận này có lẽ vì Mao "nuôi" Siqi cho mình hưởng, không ngờ bị con trai mình chiếm lấy.

Khi cuộc chiến kết thúc, 2 phần 3 trong số 20 ngàn tù binh TQ chọn xin tỵ nạn ở Đài Loan. Những người chọn quay trở về TQ bị Mao gọi là phản quốc vì đã đầu hàng kẻ địch và bị trừng phạt. Một chuyện ít người biết nữa là Bắc Hàn còn giữ 60 ngàn tù binh Nam Hàn, và đã không giao trả, theo lời xúi bẩy của Mao. Những kẻ bất hạnh này bị giam giữ ở những xó kẹt hẻo lánh ở Bắc Hàn cho tới chết.