Впоследствии Пэн Дэхуай занимал ряд высоких государственных и партийных должностей. Он был заместителем председателя Народно-революционного военного совета и начальника Генерального штаба (со времён войны). Затем — членом Центрального народного правительства, председателем административного (затем военно-административного) совета Северо-Западного Китая, секретарём Северо-Западного бюро ЦК КПК.
Новой страницей в полководческой биографии Пэн Дэхуая стала Корейская война. В 1950-1953 годах он командовал миллионом китайских добровольцев в этой стране. Первоначально КНР передала Корейской Народной армии, действовавшей против армии Южной Кореи, американских войск и войск ООН, две дивизии (70 тысяч человек), состоявшие из лиц корейской национальности, проживавших в Китае. Затем в Северную Корею стали прибывать и другие китайские добровольческие войска. В Корейской войне участвовало и около 26 тысяч советских специалистов, входивших в основном в состав 64-го особого истребительно-авиационного корпуса.
Китайские добровольческие войска под командованием Пэн Дэхуая начиная с лета 1950 года участвовали во всех крупнейших наступательных и оборонительных операциях Корейской войны. С сентября того же года под командованием генерал-полковника Пэн Дэхуая находились 2 армейские группы, включавшие 30 пехотных и 4 артиллерийские дивизии НОАК. Выдвижение китайских дивизий началось ещё 19 октября и стало полной неожиданностью для американского командования во главе с генералом Макартуром.
Для координации боевых действий китайских и северокорейских войск было создано объединённое командование КНА и китайских добровольцев. Главнокомандующим этих союзных сил стал Пэн Дэхуай. Американское командование и командование сил ООН в Корее получило в лице китайского генерал-полковника достойного противника.
Уже 25 октября китайские добровольческие дивизии и войска Северной Кореи нанесли мощный удар по противнику на западном участке фронта в районе Унсана, разгромив здесь его крупную группировку, прорвавшуюся за реку Чхончхонган. В последующей затем Унсанской наступательной операции был разгромлен южнокорейский армейский корпус. В самом конце 1950 года войска Пэн Дэхуая провели успешную Пхеньян-Хыннамскую операцию, в ходе которой нанесли поражение 8-й американской армии и освободили столицу Северной Кореи город Пхеньян. После этого китайские и северокорейские войска вышли в район 38-й параллели.
В такой тяжёлой для американского командования стратегической обстановке генерал Макартур стал настаивать на применении в Корее и Маньчжурии ядерного оружия. Вооружённый конфликт на Корейском полуострове грозил перерасти в мировую ядерную войну.
В декабре 1950 — январе 1951 года Пэн Дэхуай успешно провёл Сеульскую операцию. Его войска продвинулись на юг до 37-й параллели, заняв значительную часть территории Южной Кореи, в том числе города Сеул, Инчхон, Вонджу. Американцам и их союзникам при помощи массированных налётов бомбардировочной авиации с большим трудом удалось остановить наступление с Севера. Затем войска генерала Макартура предприняли ответное наступление и оттеснили китайские и северокорейские войска к 38-й параллели.
Президент Трумэн отстраняет генерала Макартура от занимаемой должности и назначает главнокомандующим американскими вооружёнными силами на Дальнем Востоке генерал-лейтенанта Риджуэя. В апреле — мае 1951 года войска Пэн Дэхуая наносят по американской 8-й армии генерала Ван Флита два сильных контрудара и отбрасывают её на 20-40 километров к югу. Когда стороны вновь вошли на боевое соприкосновение на 38-й параллели, обе они уже исчерпали свои наступательные возможности.
Во второй половине 1951 года начались мирные переговоры воюющих сторон. К тому времени на территории Северной Кореи находилось уже 40 дивизий китайских добровольцев. В переговорах участвовали и главнокомандующие, в том числе и генерал-полковник Пэн Дэхуай. Переговоры постоянно прерывались, и в эти промежутки противники возобновляли активные боевые действия, чтобы оказать силовое и моральное воздействие друг на друга.
Американское командование провело «летнее» и «осеннее» наступления 1951 года, но китайские и северокорейские войска их успешно отразили. Командование вооружённых сил США в качестве «дополнительного» аргумента на переговорах в Корее использовало свою авиацию, которая подвергала варварским бомбардировкам не только военные объекты, но и мирные города и села Северной Кореи. Широкое применение получил напалм и ракеты. С конца июля 1951 года войска КНА, а затем и НОАК в условиях господства в воздухе американской авиации почти полностью перешли к ведению боевых действий в ночных условиях.
Большую роль в отражении воздушных налётов американской авиации сыграли советские лётчики. Они сбили в небе над Кореей более 1300 самолётов противника, потеряв при этом 345 своих самолётов. 22 советским лётчикам за участие в Корейской войне было присвоено звание Героя Советского Союза.