1951年1月，李懋之在汉口参加中南军区和四野召集的剿匪会议，会上中南军区参谋长赵尔陆接到机要电报，他对李懋之说，“刚接中央军委来电，命你参加抗美援朝，一星期内带家属到北京总干部部报到。”李懋之问：“军委怎么点到我的头上？”赵尔陆说，“是陈胡子(陈赓)点你的将。”李懋之深感老首长对自己的关怀和信任，立即驱车赶回河南开封。军区司令员陈再道说：“你打完日本，又打美国，这是多么光荣的任务啊。军情紧急，你交代一下工作就出发吧，我们听你的捷报。”政委张玺说：“志愿军去朝鲜都是选的好部队，好干部，你能到朝鲜去，也是我们河南军区的光荣。按照通知，你带家属去北京，利利和小飞飞可以去，但上学的孩子不能带走，我们替你照顾好。”
根据朝鲜战争的需要，中央军委决定，组建志愿军第三兵团入朝参战，陈赓任司令员兼政治委员，王近山任副司令员，杜义德任副政治委员，王蕴瑞任参谋长，刘有光任政治部主任，李懋之任副参谋长。
李懋之到北京后，先去见陈赓司令员，按照陈赓的意见，拟了15个需要向军委请示和解决的问题。3月16日在北京组建了3兵团机关，同时和各军取得了联系。按照军委命令，12、15军在重庆乘船至汉口，再乘火车到河北邢台、衡水集结待命。60军从四川绵阳乘车到河北沧州集结待命。
3月17日，李懋之和王蕴瑞参谋长乘个小吉普，带上参谋人员，先期进入朝鲜。敌机白天晚上不断地轰炸，他们只好夜行晓宿，躲着敌机前进。两天后，到达志司。邓华、洪学智副司令员给他们介绍了第一番入朝部队战斗的情况，讲了部队面临的困难和问题。虽然在国内了解一些情况，但听了邓华副司令员的介绍后，李懋之才进一步感受到朝鲜战争的残酷、艰苦和前所未有的困难。离开志司后，他们迅速建立了兵团司令部指挥机构，协调了和志司与友邻部队的通信和各项保障工作。紧接着3兵团机关在副司令员王近山和副政委杜义德的带领下进驻伊川，所属的60、12、15军也在4月中旬前先后从安东、长甸跨过鸭绿江，进入朝鲜。陈赓因腿伤，在国内治病，暂未入朝。
4月6日，在上甘岭的一个大矿洞里，彭德怀主持召开志愿军第五次党委扩大会，讨论部署第五次战役。会上彭德怀特别强调了后勤的重要性，说这次战斗打赢了，全体指战员占一半，后勤工作占一半。李懋之在三兵团领导中分工管后勤，心里不大情愿，总想着过去长期主抓作战，后勤不如作战指挥重要。听了彭总的讲话，他觉得朝鲜的后勤工作不容易，在某种程度上也决定着战斗的胜败，后勤不仅是作战胜利的重要一环，也是部队胜利的重要保证，深感自己责任重大。
4月18日，兵团召开首次后勤会议，各军后勤部长、政委和分管后勤的行政首长在南估里开会。李懋之主持会议，他说兵团新成立，人事未熟，即上战场。这个会议首先是摸清各军的情况和后勤工作的底细。其次第五次战役马上开始，为保证战斗的胜利，请大家对后勤工作集思广益。他要求大家认识后勤工作的重要性，彭总说“后勤工作搞不好，不退也得退下来”。摆在我们面前的新问题新困难很多，越接近战场越向前发展困难越多。60军住在这里还饿了七天，如果打响后，特别是迅速推进的情况到来，人、马、枪、车、炮都吃不上东西，那真是不退也得退下来。他要求大家就武器弹药、粮食储备、运输工具、后勤状况、部队实力等一一汇报。会议对所提问题进行了研究，并逐一商量了解决办法。同时明确各军负责后勤的首长。会后李懋之向洪学智副司令员做了汇报和请示。
4月18日21时，志司下达了第五次战役的作战命令。由于敌人主要集中在朝鲜西线一带，志司命令，志愿军的主力集中在西线攻击敌人，东线则由朝鲜人民军3个军牵制美军。命3兵团首先集中兵力歼灭美3师主力和土耳其旅，得手后继续攻击前进，会歼美24、25师。于21或22日黄昏开始行动。
这是3兵团入朝的第一战，尽管准备仓促，大家信心很足。为了打好这一仗，4月19日兵团召开作战会议，刘有光主任传达志司精神，王近山副司令员做战役部署。随即兵团立刻给各军下发作战命令，要求22日打响战斗。由于军长、政委都来了，李懋之在会上再次提醒大家要尽快适应朝鲜战场情况，做好后勤工作，保证作战行动及战役后的有效支持。
4月22日黄昏，志愿军三个兵团11个军同时发起攻击，第一阶段，中朝联军连续进攻7天，歼敌2.3万人。由于美军事先有准备，在战术上采取节节抗击，逐步撤退的打法，我军没有消灭美军1个整团的战例，预期的目的没有达到。
5月6日22时，志司下达第二阶段作战命令，确定5月15或16日黄昏发起进攻。5月16日，我军在东线发起进攻。第二阶段战斗，3兵团伤亡较大，15军仅在大水洞一战就伤亡3000多人。12军伤亡更多，几次战斗共伤亡9000多人。60军全军伤亡6700余人。180师全师被围，3000多人被俘。
在敌人的紧紧追击下，我军处在被动位置，为稳定局势，彭德怀决定停止后撤，立即转入防御，阻止敌人进攻。至6月10日，第五次战役结束。这次战役，中朝联军动用了15个军的兵力，加上炮兵、装甲兵、后勤部队近100万人，连续战斗50多天，歼灭敌人8.2万余人，同时我军也伤亡8.5万余人。这次战役，扭转了我军第四次战役以后的被动局面，敌我双方开始转入战略防御。
由于180师的问题，兵团和60军都做了检查。部队进行休整和总结。这时彭总打电话来，叫三兵团去汇报战斗情况，说180师一个整师被敌人打烂，这在红军作战史上还没有过的。兵团首长知道彭总的脾气，都不敢去，最后党委研究让李懋之去。李懋之到志司见到彭总，彭总既没有骂，也没有训，面带微笑说：“你来了，你们副司令、副政委怎么没来？”李懋之说：“他们不敢见你，打了败仗怕你骂。”彭总笑着说：“打败仗骂也不解决问题，就怕成这个样子？总结经验教训就行了。怕我顶什么事。”李懋之汇报后才知道问题不仅是三兵团的，39军没有按时接防，让敌人钻了空子也是问题。彭总说，“我们志愿军司令部指挥上也有错误，该接防的部队没有按时到，我们督促不够。但180师遭受损失，你们负主要责任。告诉你们头头不要抬不起头来，胜败是兵家常事。不过损失是严重的，你们一定要很好接受教训，各级认真总结、检讨，提高部队战斗力。”李懋之请示如何处理一些人的责任，彭总说，要处分就把那个师长撤了吧。彭总留他吃过晚饭，天黑后他回到兵团。王近山问他：“怎么样？骂的凶不凶，发脾气大不大？”李懋之说：“彭总一点没发脾气，他带着笑容说话，还做了自我批评，说39军没有按时接防，志愿军司令部也有责任。”翌日，他把彭总的意见向兵团领导作了全面汇报，大家一致同意彭总的意见，决定部队进行整顿，将180师师长郑其贵调兵团司令部任管理处长。
8月21日，陈赓腿伤还没好，就拄着棍子来到朝鲜。参加完志司的会议后，马上来到3兵团。大家对陈司令员的到来十分兴奋，一扫打了败仗的阴霾。陈司令员一下汽车就和大家一起总结五次战役的得失，尤其对180师的问题进行了严肃批评和认真处理。对第五次战役，陈赓专门听了李懋之的意见。
10月中央决定，不再组织第六次战役，志愿军对敌人主要采取坚守防御的作战方针，12、15军停止休整，开赴金城、铁原地区，执行坚守防御任务。部队全力以赴挖坑道，为后来上甘岭战役奠定了胜利的基础。
12月底，李懋之腰病复发，痛得站不起来。志愿军卫生部医生来检查说是骨结核，要开刀。陈赓听到汇报后，马上给李懋之打电话，让他立即回国治病，一个礼拜内就走。李懋之哪里能同意，他向陈赓说，“3兵团还在打仗，我还是别回国，留在朝鲜治疗吧。”陈赓说，这是命令，必须执行。1952年元旦刚过，李懋之乘吉普车，摸黑走了两个晚上，过江回到了安东。屈指算来，李懋之在朝鲜战场前后300余天。
到北京后，李懋之入住协和医院，经检查确诊是骨质增生，腰椎间盘突出。治疗不到一个月，腰痛明显好转，李懋之想返回朝鲜，给3兵团领导打了报告。没过几天，3兵团命令送达，让他到河北邢台，负责3兵团留守部队的“三反五反”运动。
