军情急切，志愿军在部队疲劳、兵员未得到补充、粮弹供应困难的情况下，被迫投入防御作战，防御的重点放在横城以北至原州、砥平里一线。属于正面防御的五十军，头两天的战斗中均不理想。他们面对的敌人是英军第二十七旅。该旅是入朝英军的精锐，参加过第二次世界大战，装备优良，配有一个坦克营。连续两天，英军的坦克全部出动，在猛烈炮火的支援下，以冲锋集群的方式夺取了五十军的三处阵地，英军只有4辆坦克被毁。战斗结束，英军营地一片欢腾。
27日上午10时，紧急作战会议在五十军军部指挥所召开。蔡正国提出派遣爆破小组夜间潜入英军阵地，炸毁敌人坦克的战斗方案。他坚定而激动地说：“……过分依赖武器优势的敌人，最害怕的是短兵相接的战斗，他们一旦没有了坦克，心里就害怕，就一切都完蛋了。我们纵使付出再大的代价，也要把英军的坦克搞掉！” 军政委徐文烈，在蔡正国讲完后又作了一番补充。参加会议的一五二师的十几个营、团长，听得陡然兴起，你一言我一语地议论开来……
午夜时分，由一五二师组织的12个爆破小组，借着月光接近了英军的坦克阵地。尽管他们被英军的岗哨发现了，然而枪声一响，这些三个人为一组的爆破队，迅速奔向目标，将5公斤重的炸药包塞在坦克肚皮下，拉响导火索就跑。随着一声声冲天而起的爆炸，英军的绝大多数坦克，变成了一堆废铁。事后统计，参加偷袭坦克的36名志愿军战士，有半数以上被炸死或受了伤。
第二天清晨，五十军向英军发起了进攻。处于沉重心理压力的英军顿时乱了方寸，回击得非常被动。五十军官兵越战越勇。经过激战，英军第二十七旅的官兵大部被歼，漫山遍野躺着敌军2000多具尸体。
五十军歼灭英军第二十七旅和坦克营，并非特别大的胜利，但却对整个战役的影响具有举足轻重的作用。不单使“联合国军”有了惊惧的心理阴影，更要紧的是使美军第五师和南朝鲜第八军的侧翼得到暴露。志愿军乘隙发起反击。2月9日，第三十八军和第六十军一部，采用兵力配备前轻后重、火力配置前重后轻的战术，经过两番激战，攻克了砥平里，随即向原州方向发展。至此，志愿军的全线防御转为机动进攻，从而扭转了整个战局。
第四次战役结束后，第五十军的战绩得到了志愿军总部的表彰。彭德怀等志司首长认为，把蔡正国放到第五十军是选对了人。
毛主席喃喃道：“蔡正国，蔡正国，不幸殉国，又折我一员骁将！”
1953年2月中旬，万物复苏的春天到了。渐渐转暖的气温，使曾经安静下来的汉江一天天解冻了。然而，春天的来临并不都是好事，它意味着在志愿军面前骤然出现了一条天然的障碍——波涛滚滚的汉江，既阻隔了后方对前线的物资供给，又阻断了志愿军向北撤退的道路。
志愿军总部及时看到了汉江解冻带来的潜在危机。为了避免背水作战，也为了实现“以空间换时间”的整体战略构想，2月下旬，志愿军代理司令员兼代政委邓华下令：已越过汉江的志愿军各部退回北岸，待机作战。向来擅长于打防御战的第五十军，由总部指定撤至汉江南岸，掩护北撤部队，确保汉江前翼的安全。总部下达的命令是：第五十军用8至10天时间，在南岸构筑能够抗击敌人炮火的工事，准备迎击美军和南朝鲜军的尾追。第五十军组织了井然有序的撤退，第三天下午便进入指定地点。
在指定地点，部队立刻投入到修筑坑道工事的紧张劳动之中。蔡正国带着军部有关人员，来到前沿视察，检查各连队坑道工事的选点、选口和施工，对一些重要阵地，过问得很仔细，还组织战士们对工事的实战性进行讨论。
战斗暂时没有打响，但并不意味着安然无事，美国侵略军仍以他们的“空中优势”，对备战的志愿军实行没日没夜的轰炸和骚扰。
第五十军进入指定地点后不久，就被美军飞机侦察到。事情源于五十军开的一次运动会。运动会的比赛项目齐全，全军的运动员和官兵黑压压地坐满了两边的山坡。忽然，有两架侦察机从空中飞来，把地上的活动看得清清楚楚，俯冲下来，扫射了一梭梭子弹，打完就飞走了。从此，敌人知道这儿有重要的指挥机关，对这一带更加注意了。
4月12日晚上9时，第五十军在坑道外的军部驻地，即一栋砖瓦结构的民房里，正在召开军事会议。到会的是全军的团以上军事主官。会议由蔡正国主持，讨论五十军的防御战略，包括研究开办反登陆作战培训班和地面打坦克培训班等。
晚上9时40分左右，夜空里响起敌机的轰鸣，村外山头上也传来哨所的防空信号枪声。正在讲话的蔡正国意识到会议不能再开了，但他又认为不能就这么一窝蜂地散了，再讲个半分钟或许会议就能结束。因为这种情形在以前也遇到过。忽然，飞临军部上空的8架敌机，俯冲下来并投下了一批炸弹。其中的一颗正落在开会的屋顶上，一接触屋面就轰然爆炸。四溅的弹片，飞洒在离地面一米多高的空间。坐在地上的干部们听见爆炸声都立即伏在地上，躲开了弹片，连一个负伤的都没有，但弹片却击中了站在桌子前讲话的蔡正国和正好站在他身后准备倒水的作战处处长。蔡正国的头上和胸部多处中弹，鲜血直流，被抬入坑道后昏迷过去。由于失血过多，当晚10时，蔡正国微弱的心脏便完全停止了跳动。8架敌机轰炸了十几分钟，扔光了所携带的重磅炸弹后，才飞离了机翼下的那片火海。
人们从蔡正国的上衣荷包里，找到了一张纸条，那是他昨天才写好的给妻子张波的信。信中写道：自己在朝鲜前线一切都好，部队打的都是胜仗，让妻子不要挂念。等这次战役过去，他就请假回来看她和6岁的儿子。没想到这封信却成了蔡正国的遗书。蔡正国成家比较晚，30多岁才结婚，再过几个月，他与张波的第二个孩子就要出生了。
五十军军部被炸事件，是志愿军入朝作战三年以来最严重的事件。在国内的彭德怀接到电报后，惊得说不出话来。同一天中午，正在午休的毛泽东，被叶子龙叫醒。在看了志愿军总部发来的电报后，他口里失声地“噢”了一下，刹那间脸色有些发白，随即神情有些木讷地站着，好一阵时间过后，毛泽东才喃喃道：“蔡正国，蔡正国，不幸殉国，又折我一员骁将！”
蔡正国的杰出功勋和国际主义精神，得到了应有的表彰。遗体被运回沈阳，安葬在烈士陵园。志愿军代理司令员兼代政委邓华，为他的墓碑撰写了碑文。朝鲜民主主义人民共和国政府给蔡正国颁发了“独立自由一级勋章”和“国旗一级勋章”各一枚。