전쟁의 제4단계는 휴전회담의 진행과정과 휴전협정 성립과정이다. 회담의 초점은 비무장지대 설치를 위한 군사분계선 설정문제, 휴전 실시를 위한 감시기관 구성문제, 포로교환 문제 등이었다.

휴전회담의 의제 중 군사분계선 문제는 북측이 38선을 주장한 데 반해 그보다 약간 북진하고 있던 남측은 양군의 ‘접촉선’을 주장하여 맞서다가 결국 북측이 접촉선에 동의하여 타결되었다. 감시기관 문제도 남측이 추천한 스웨덴·스위스와 북측이 추천한 폴란드·체코슬로바키아 등 4개국의 중립국 감시위원회를 설치하는 데 합의했다.

휴전회담의 최대 난관은 포로교환 문제였다. 포로문제는 남측이 본인의 의사를 확인하여 원하는 포로만 송환하자는 자유송환원칙을 내걸고, 북측이 제네바협약에 의한 자동송환원칙을 주장하였기 때문에 해결이 지체되고 있었다. 남측의 주장대로라면 원래 남측이 제시한 13만 명의 북측 포로 중 8만 명만이 송환될 수 있었다. 북측은 이에 격렬히 반대하였고, 거제도 포로수용소에서는 포로 심사와 그 과정에서의 여러 문제에 저항하여 북측 포로들이 수차례에 걸쳐 폭동을 일으켰다. 결국 포로처리문제의 이견 때문에 휴전협상은 중단되었고, 전투는 더욱 치열해져 소모전으로 치달았다.

중단상태에 빠졌던 휴전회담이 미국에서의 정권교체, 소련에서의 스탈린의 죽음 등 국제정세의 변화를 겪고, 북측의 회담재개 제안과 상병(傷病)포로 교환협정이 이루어지면서 재개되었다(1953. 4. 26). 그러나 휴전회담이 진전될수록 이승만 정권의 휴전반대운동도 격화되었다. 미국은 휴전 후 한국군을 20개 전투사단으로 육성하며, 10억 달러의 경제원조를 제공하고, 한미상호방위조약을 체결하겠다는 등의 남한 원조강화를 약속함으로써 이승만의 휴전 동의를 얻었다. 그리고 1953년 7월 27일, 휴전협정이 조인되어 3년여에 걸친 전쟁은 마침내 중단되었다.