周恩来总理深思熟虑地评估了朝鲜战争中作战双方的综合实力，他尖锐地指出，美军面临着“战线拉得过长，运输线遥不可及，以及战斗力相对薄弱的严峻问题。要克服这些固有的弱点，他们需要一个相对漫长的时间过程。”
因此，他强调，“国家的各个部门都必须树立起深刻的战争观念，”立足于一场长期而全面的战争准备，精心组织抗美援朝的备战工作。在这一方面，他特别重视东北边防军的备战加强，同时在另一方面，也有条不紊地推进各军兵种部队的全面建设，巧妙地将备战与军队建设紧密结合在一起，始终着眼于最坏的可能情况，力争取得最好的战争结果。
对于东北边防军，周恩来更是亲力亲为，他不仅亲自部署、居中协调，还对所有关键环节进行细致入微的把控，包括政治动员、军事训练、装备补充以及编制调整等各个方面。尤为值得一提的是，周恩来在很早就提出了边防军兵员补充的科学策略。在8月26日的检查和讨论东北边防军准备工作的会议上，他明确指出，“关于未来如何补充兵员，我们还需要深入研究。一种方案是从各部队中抽调十万人来进行补充，另一种方案是采用建制补充，后一种办法显然更为优越。
还有一种方案是采用换班轮战的打法进行补充，即准备第二线部队作为后备力量，当第一线部队的一个军或一个师在作战后需要补充时，可以立即调动第二线部队进行整补，同时让第二线的一个军或一个师调往前线作战。这种整补方式无疑是最为理想的。”这一宝贵的思想，在后来的实战中得到了充分的验证和发展。中国人民志愿军部队通过轮番作战，全军部队分批次陆续入朝，不仅在实际战斗中得到了锻炼，还极大地提高了适应现代化作战的能力素质。
对于正处于起步阶段的各军兵种部队，周恩来则要求它们必须紧紧围绕实战需求，统筹进行组建、装备、部署和训练等一系列工作。他强调，“军事建设应该制定一个长远的发展计划。即使我们现在无法制定出详尽的长远计划，也必须先制定出一个至少为期三年的短期建军计划，作为我们准备阶段的行动指南。”“只有这样，我们才能确保立于不败之地，不断发展胜利并巩固我们的战果。”
战争，始终是敌我双方综合实力的较量与比拼。抗美援朝，意味着我们的人民军队将与打着联合国旗号、拥有核武器的世界头号军事强国进行正面的交锋。为了迎接这场前所未有的严峻考验，我们放手一搏，需要坚实的物质基础作为支撑。在当时全国交通极为落后、全军部队高度分散的艰难条件下，周恩来凭借卓越的组织运筹能力，充实了原本薄弱的东北边防力量，确保了源源不断的战略机动力量，从而争取了应对局势的战略主动权，为最终的出兵决策创造了不可或缺的前提条件。
对此，毛泽东曾深情地回顾道，“战争爆发后，我们先调去了三个军，后来又增加了两个军，总共有五个军，驻扎在鸭绿江边。因此，当帝国主义军队越过三八线后，我们才有可能出兵抗美援朝。否则，如果毫无准备，敌人很快就会打过来了。”
1950年8月，朝鲜战争局势发生了急剧变化。在朝鲜半岛南端的美军主力第八集团军和南朝鲜军队凭借坚固的工事坚守在洛东江三角洲的狭小地带，既不撤退也不反击。与此同时，在日本的美军两个师又组成了新的军团，并且美军舰艇频繁调动。
面对这一紧张局势，8月20日，周恩来再次致电联合国安理会主席和秘书长，强烈谴责美国制造朝鲜事件、侵略朝鲜和台湾的行为，并揭露其企图以此扩大战争并阻挠和平解决朝鲜问题的阴谋。他坚决支持苏联提出的和平调处朝鲜问题的提案，同时强烈反对美空军对朝鲜进行的野蛮轰炸。
8月23日晚，周恩来的军事秘书雷英夫报告称，他与总参谋部作战室的参谋们经过反复研究后判断：敌人极有可能在仁川登陆。如果登陆成功，他们必将切断朝鲜人民军的后勤补给线，形成南北夹攻和包围人民军主力的态势，从而导致朝鲜战争战局逆转。周恩来高度重视来自前方一线的这一分析意见，他当即带着雷英夫向毛泽东报告。毛泽东在听取汇报后表示：“这个判断有道理，很重要。”他进一步指出：“很快结束战争是不可能了。战争肯定是持久的、复杂的、艰苦的。但目前就打第三次世界大战也不可能，因为美国还未准备好。”
朝鲜战争的新动向使得东北边防军的各项准备工作必须加紧推进。8月26日，周恩来主持召开了检查和讨论东北边防军准备工作的会议。在会议上，他具体分析了国际国内形势，并指出朝鲜战争已成为当前世界斗争的焦点。“我们对朝鲜问题采取的是积极态度，因此我们必须将东北边防军组织起来。”他根据朝鲜战争两个月来的发展情况判断，战争很快结束的设想基本上无法实现。“
因此，我们不能不设想第二种情况，即战争的长期化。”他强调“根据这种情况来检查我们的准备工作，我们发现还是远远不够的。”因为“我们此次作战的对手是美帝国主义者，而不仅仅是李承晚伪军。美国依靠的是大炮和飞机的火力优势，他们装备精良，但也有其弱点。我们的装备对付国内敌人是足够的，但对付美帝国主义则显得不足。”因此他强调“一切都要做好准备，不能临急应战，而要有充分的准备，一出手就要取得胜利。”
8月27日，美军派遣了包括B-29重型轰炸机、P-51战斗机在内的强大空中力量，分作五批次，共计13架次，悍然侵入中国东北的辑安（现今的集安）、临江、安东（现今的丹东）等地区上空，进行了肆无忌惮的轰炸与扫射。这场突如其来的空袭，导致3名无辜的中国居民丧生，21人受伤，更有5辆火车机车、客车及守护车，以及2辆卡车在炮火中受损严重。面对这突如其来的噩耗，周恩来迅速反应，以中国外交部长的身份，即刻致电美国国务卿艾奇逊，严正指出：“对于美国侵略朝鲜军队公然侵入中国领空，实施挑衅与残暴行径，我特此代表中华人民共和国中央人民政府，向美国政府提出最强烈的抗议。
美国政府应对此次美军侵犯中国主权、残杀中国人民的行为，承担全部责任及其引发的所有后果。”周恩来进一步明确要求美国政府：第一，必须立即对美军此次侵入中国领空、伤害中国人民及摧毁车辆的挑衅与残暴行为进行严惩；第二，必须负责赔偿中国方面因此遭受的一切损失。同时，周恩来还发表声明，强调：“对于美国侵略朝鲜军队的此类挑衅与残暴行为，我们保留继续提出一切要求的权利。”在同一天，周恩来还致电联合国，呼吁对美军侵入中国领空的挑衅与残暴行为进行制裁。
9月15日，在总司令道格拉斯·麦克阿瑟的指挥下，美国纠集了超过7万兵力，打着“联合国军”的旗号，在仁川强行登陆。朝鲜人民军在两面受敌的不利局面下，被迫采取了战略撤退。仅仅过了两周，即9月28日，联合国军便攻占了汉城，次日更是进抵三八线，局势危急。
眼见战况急转直下，10月3日凌晨，周恩来紧急召见了印度驻华大使潘尼迦，希望通过他将中国政府对朝鲜局势的严正立场转达给美国政府。周恩来语气坚定地说：“美国军队正试图跨越‘三八线’，扩大战争规模。如果他们真的这样做，我们绝不能坐视不理，我们必须采取行动！请将这一点明确报告给贵国政府总理。……我们始终主张和平解决，使朝鲜事件局限在地方范围内。我们至今仍坚持这一立场。”然而，抗议并未奏效，美帝国主义依然我行我素。鉴于此，10月4日至5日，中共中央政治局经过深入讨论，作出了组建中国人民志愿军，抗美援朝、保家卫国的重大决策。为了落实这一战略决策，6日，周恩来亲自主持召开了党政军高级干部会议，详细研究并部署了志愿军入朝作战的各项事宜。
当“联合国军”迅速北进，平壤危在旦夕的关键时刻，斯大林出于维护苏联自身战略利益、避免与美国发生全面武装冲突的考虑，改变了之前的承诺。他指示莫洛托夫转告周恩来：苏联将仅派遣空军到鸭绿江北岸的中国境内驻防，并明确表示在两个月或两个半月后也不准备进入朝鲜境内掩护中国人民志愿军作战。
10月18日，周恩来回到北京后，参加了由毛泽东主持的政治局会议，再次深入研讨了出兵问题。周恩来在会上详细汇报了与苏方的会谈情况，彭德怀则汇报了志愿军出动前的准备情况。会议最终正式决定，中国人民志愿军于19日入朝参战。在是否出兵以及何时出兵的问题上，尽管受到苏联多次反复的影响，但以毛泽东为首的中共中央在支援朝鲜人民军、出兵朝鲜作战的重大决策上，始终坚定不移。周恩来始终站在毛泽东一边，坚决支持中共中央的决策。陈毅说：谁说周总理善文不善武？朝鲜战争再次证明，周总理不仅是个伟大的外交家，也是位杰出的军事家！
10月19日，中国人民志愿军从安东（丹东）、宽甸、辑安等地勇渡鸭绿江，毅然进入朝鲜北部地区。10月25日，中国人民志愿军第四十一军一一八师在北镇突然对美军发起猛烈进攻，打响了入朝作战的第一枪。仅用了一个多小时，便成功占领了温井，全歼了所有敌军。从10月25日至11月5日，志愿军展开了第一次战役，共歼灭敌军1.5万余人，将敌军逼退至清川江以南，从而大大减轻了中朝边界的军事压力。
1950年12月上旬，受毛泽东主席的委托，周恩来与金日成在北京进行了深入协商，共同确定了组成中国人民志愿军和朝鲜人民军联合司令部的人员名单。由彭德怀担任司令员兼政委，朝鲜方面则派人担任副司令与副政委。联合司令部将统一指挥中国人民志愿军和朝鲜人民军在朝鲜境内的一切作战及相关事宜。联合司令部的所有命令都将通过朝鲜人民军总司令部和中国人民志愿军司令部分别下达。经过周恩来与金日成的协商，还先后组建了中朝空军联合司令部和战时管理朝鲜境内铁路运输的中朝联合铁道军事运输司令部，从而解决了中朝两军作战的统一指挥问题。
中朝军队发动的第二次战役，成功顶住了美国和南朝鲜军队发起的“圣诞节攻势”。到1950年12月下旬，第二次战役胜利结束，中朝军队取得了重大胜利。他们不仅夺回了平壤，还将战线重新推进到了三八线附近。从1950年10月25日至1951年6月10日的七个月里，中国人民志愿军与朝鲜人民军并肩作战，连续发动了五次战役。他们消灭了美国与南朝鲜的军队共计23万余人，将美国侵略者从鸭绿江、图门江附近赶回了三八线附近。这一系列的胜利不仅扭转了整个战局，还迫使美军不得不进行和平谈判，为抗美援朝取得最后胜利奠定了坚实的基础。
1950年11月5日，周恩来起草了毛泽东致苏联菲利波夫（斯大林的代称）的电文。电文中提到：“由于我人民解放军步兵武器的主要来源过去是缴自敌方，导致枪炮口径极其混乱，弹药生产面临极大困难。”因此，请求苏联供给我国36个师的步兵武器装备。斯大林在回电中同意了中国的请求，并承诺将于翌年一二月内交货。11月15日，斯大林又来电建议，为增强苏联空军在中国志愿军后方对美空军的作战能力，拟增派120架米格十五喷气式飞机。这些飞机将分两批来华，加入到别洛夫空军师中，并据此成立一个空军军一级的指挥机构。别洛夫空军师原有122架米格十五喷气式飞机，已于1950年8月部署在中国东北的安东、鞍山、辽阳、沈阳等机场。这些飞机在保卫中国东北工业基地和志愿军后方方面发挥了重大作用。
为了解决志愿军的作战休整问题，并培养与锻炼部队适应现代战争的能力，周恩来于1951年2月上旬多次召开中央军委会议。会上，他商讨了志愿军在朝鲜轮番作战的计划，并主持起草了《关于轮番作战方针的指示》。指示中明确指出：“敌人若不被大部消灭，是不会轻易退出朝鲜的。目前敌人的作战意图是：在稳住阵地后，通过休整补充力量，寻找机会向前反攻。这样一方面可以扩大其侵占地区，另一方面则不容许我们在前线进行较长时间的休整。同时，他们对朝鲜沿海的袭扰和对运输线的轰炸，也是为了配合这一意图。”
为了粉碎敌人的意图，坚持长期作战，以达到大量消灭敌人、完全解决朝鲜问题的目的，周恩来决定在朝鲜采取轮番作战的方针。具体计划为：将当前在朝鲜作战的9个军30个师作为第一番志愿军；将十九兵团3个军、二十兵团2个军、二野第一批北调的3个军及现在湘西剿匪的四十七军，共9个军27个师作为第二番志愿军；另外，还组织了第三番志愿军。通过三番志愿军的轮番作战，我军既能保持有生力量，又能得到及时补充；既能避免陷入被动，又能保持旺盛的机动性与持久性；同时，还能让更多的部队学会与美国侵略军作战。这是我军作战方针的重大转变，也是志愿军能够坚持持久作战的重要力量源泉。周恩来在这方面倾注了大量心血与智慧。
