1953年4月，任中国人民志愿军第二十兵团司令员，参加抗美援朝战争，组织夏季攻势第一、二次进攻，取得胜利。又组织和指挥了金城以南地区的进攻战。7月13日发起反攻，全线突破美、李军四个师宽22公里的防御阵地，经激战14昼夜，突进敌防纵深最远达15公里，歼敌5.2万多人，击毁击伤敌机250多架，生俘南朝鲜“王牌”首都师副师长，收复失地148平方公里，改善了志愿军和朝鲜人民军阵地，拉直了金城以南战线，为迫使美国侵略者接受停战作出了贡献。

    1954年2月，任志愿军第三副司令员兼参谋长。1955年10月，被授予上将军衔，并荣获一级八一勋章，一级独立自由勋章、一级解放勋章。1956年9月，被选为中共八大“候补中央委员”。1957年任志愿军司令员。1957年10月率最后一批志愿军指战员回国。朝鲜领袖金日成高度赞扬杨勇的功勋，并授予朝鲜民主主义人民共和国一级国旗勋章。朝鲜内阁举行盛大国宴，组织30万人欢送。10月29日回到北京，受到毛泽东等党和国家领导人的欢迎。

    回国后，被任命为中国人民解放军北京军区司令员，次年10月，任总参谋部副总参谋长。

    “文化大革命”中，杨勇受到林彪、江青反革命集团的诬陷，无辜入狱六年之久。1971年，林彪反革命集团彻底粉碎后，杨勇重新工作。1972年任沈阳军区副司令员。1973年调任新疆自治区革命委员会副主席，中共新疆自治区委员会第二书记。1977年8月当选为中共“十一大”中央委员，9月任副总参谋长，中共总参谋部委员会第三书记，中共中央军事委员会委员和列席常务委员。1978年当选全国第五届人大常委。1980年任中央军委常委副秘书长。8月任中共总参委员会第二书记。1982年在中共“十二大”当选为中央委员和中央书记处书记。1983年1月6日，因病逝世于北京，终年71岁，葬于八宝山革命公墓。