岸英在家中遇到了准备出征的彭德怀，新婚不久的毛岸英不顾毛泽东身边的人劝阻，坚决要求入朝参战，得到了毛泽东支持。随后，他到志愿军司令部任俄语翻译兼机要秘书。在朝鲜，毛岸英工作积极，认真负责，迅速熟悉了机关业务。除了彭德怀等几人了解他的身世，其他人都只知道这是一个活泼、朴实、能干的年轻人。
1950年11月25日，第二次战役开始，因“志愿军司令部”所在的大榆洞发报甚多而被美军测出，认定有重要机关并派飞机前来轰炸。上午11点左右，美军4架战斗机嗡嗡怪叫着在志愿军司令部上空盘旋，随即扔下几枚汽油弹。已躲入防空洞的毛岸英等四名参谋见敌机飞走，便跑回来。谁知紧接着又飞来四架敌机，扔下无数汽油弹，毛岸英等再向外跑，为时已晚。炸弹在屋顶及前后落下来，木板房的门已被火封死，一时浓烟滚滚，火光冲天。刚躲进防空洞的彭德怀听到外面有人喊道：“不好，作战室有人值班呢！” 彭德怀忙问：“都是谁？怎么不疏散？” 彭德怀一边说着就往外跑。“这时出去太危险了！”警卫员景希珍死命抱住彭德怀，不让他跑出去。彭德怀火了，大声骂道：“放开！快放开，再不放老子毙了你！”景希珍哭着，死也不肯放手。彭德怀用力挣脱后，就直冲司令部的木房。当知道毛岸英在里面时，冲着起火的作战室大叫：“岸英，快跑出来，听见了没有？快跑出来……” 但是，毛岸英再也听不到喊声了，他已在熊熊大火中壮烈牺牲。大火扑灭后，在两具遗体中，依据一块苏联手表的残壳，才辨认出了毛岸英的遗体。
毛岸英牺牲了，这是毛泽东一家为了中国人民的革命事业献出的第六位亲人。毛岸英在父亲毛泽东的影响和教诲下，铸就了他伟大的理想和抱负，锻造了他无比坚强、正直善良、坦诚无私、敢爱敢恨、英勇无畏的性格。他作为“志愿军的第一人”，其壮烈行为成为后世青年学习的光辉榜样。伟大的毛岸英精神，值得一代代青年引以为楷模并永远发扬光大。
毛岸英牺牲后，朝鲜人民将他的遗体安葬在朝鲜平安南道桧仓郡的“中国人民志愿军烈士陵园”内，一块一米高的花岗岩石矗立在墓前，正面刻着“毛岸英烈士之墓”；背面刻着：“毛岸英同志原籍湖南省湘潭县韶山冲，是中国人民领袖毛泽东同志的长子。1950年11月25日在抗美援朝战争中英勇牺牲。毛岸英同志的爱国主义和国际主义精神将永远教育和鼓舞着青年一代。毛岸英烈士永垂不朽！”朝鲜人民的伟大领袖金日成说道：“毛泽东同志是伟大的国际主义的典范和楷模，为了中国人民的解放事业，他牺牲了包括妻子在内至亲至爱的五位亲人；为了朝鲜人民的反侵略和保卫世界和平，他又把最疼爱的长子毛岸英送来朝鲜。岸英牺牲了，我们会永远怀念他！
“凤凰涅槃，天人共仰，为国舍命，日月同光！”中国共产党第一代领导人的红色后代中，毛岸英是举世公认的青年楷模。一个共和国元首的儿子，毛岸英从来没有特权思想，没有享过一天清福。为了中国人民和世界人民的解放与和平，以一个普通战士的身份，始终战斗在一线，用鲜血和生命谱写了壮丽的人生。他的伟大情操，是中国历史上任何一个国家首脑的儿子都无法比拟的。