이승만 대통령의 반공포로 석방과 중공군의 보복공격으로 회담 분위기가 일시적으로 냉각되기도 했지만 양측 모두 휴전을 간절히 바라고 있었기 때문에 정전을 향한 큰 흐름을 뒤바꾸진 못했다.
그해 7월 중순 미 아이젠하워 대통령이 이승만 대통령에게 한·미상호방위조약 체결을 약속하면서 한미 간 이견이 해소됐고, 중공군의 마지막 공세인 금성전투도 소강상태로 들어서면서 정전협정 조인은 시간문제가 됐다.
유엔군과 공산군 대표는 7월 20일 판문점에서 회담을 재개했다. 수석대표 바로 아래인 영관급 참모장교들이 참석한 이 회담에서 양측은 변동된 전선에 따른 군사분계선 및 비무장지대의 수정과 중립국 송환위원회에 맡겨질 포로 문제 등을 논의했다. 공산군측은 금성전투에서 전선을 약간 남진시킨 것에 고무돼 포로교환과 관련된 주제를 크게 신경 쓰지 않았기 때문에 양측의 협상은 큰 걸림돌이 없이 진행됐다.
결국 정전협정은 조인 후 12시간이 지나면 효력을 갖도록 하고 정전협정서는 휴전회담 수석대표들이 먼저 서명하고 양측 군사지휘관들이 나중에 서명하기로 합의했다.
1953년 7월 27일 10시 판문점 회담장에 나타난 유엔군측 해리슨 중장<사진 가운데>과 공산군측 남일 대장은 인사 한마디도 나누지 않은 채 자리에 앉아 서명을 했다. 두 사람이 서명을 마치는 데는 불과 9분밖에 걸리지 않았다. 두 사람은 악수도 하지 않은 채 헤어졌다.
정전협정이 체결된 그날에도 양측은 협정이 발효되는 오후 10시까지 상대방을 향한 공격행위를 멈추지 않았다. 공산군측은 마지막 순간까지 남아있는 모든 포탄을 쏘아댔고, 국군도 통일을 이루지 못하고 휴전이 이뤄진 데 대해 분노의 포격을 계속했다.
유엔 공군도 북한의 전투력을 조금이라도 더 감소시킬 목적으로 전폭기들을 동원해 강계·중강진 등지의 비행장들을 타격했으며, 해상에서는 구축함 2척과 브레멜톤 순양함이 원산을 향해 함포 사격을 했다.
하지만 이러한 전투 행위는 오후 10시 정각이 되자, 모든 전선에서 일제히 중단됐다. 양측은 또 이 시각으로부터 72시간 이내에 현 전선에서 후방으로 2㎞ 물러나는 조치도 실행에 옮겼다. 3년1개월2일간을 끌어온 6·25 전쟁이 '일시 중지'를 의미하는 '휴전'에 돌입하는 순간이었다.