1951年4月下旬，洪學智回國向黨中央和中央軍委彙報戰況。他根據自己對戰局的分析提出兩項建議：一是在軍事鬥爭方麵要作長期打算，建議構築坑道工事作堅守防禦，爾後伺機反攻；二是在後勤工作方麵要加強保障，建議實行集中統一指揮。周恩來總理聽後表示讚許，毛主席知道後指示：“所提兩項建議很好，由周總理組織落實。”隨後，中央和軍委決定成立誌願軍後勤司令部，任命洪學智兼任後勤司令員，同時調配諸兵種協同後勤作戰。在抗美援朝戰爭中，他領導誌願軍後勤各部隊，創造了我軍後勤史上在極端艱難條件下確保戰場供應的“奇跡”，積累了現代化戰爭後勤保障工作的經驗。
開創性地建立了集中統一的後勤指揮體係，形成合成軍隊後勤的組織結構。誌願軍後勤司令部成立後，除統一指揮配屬後勤係統的工程兵、高炮兵、鐵道兵、通信兵以及公安、運輸等部隊外，還負責統一管理朝鮮境內我軍一切後勤組織與設施，並迅速建成以誌後、5個分部、23個兵站為骨架的供應網絡。形成了統一指揮，前後左右貫通，能打、能防、能運、能供的全能保障體係，實現了由單一兵種後勤向諸兵種合成軍隊後勤的轉變，極大地增強了誌願軍後勤的保障能力。
創造性地實行劃區供應與建製供應相結合，把戰役後方的穩定性與戰術後方的機動性緊密結合起來。即：把祖國口岸到一線各軍之間劃為戰役後方，劃分若幹供應區，設立分部對各軍實施供應；再把軍後勤至前沿陣地劃為戰術後方，由軍以下部隊按建製供應。這種後勤供應體製，不僅理順了後勤供應關係，建立了良好的保障秩序，而且完全符合與作戰指揮體製相一致的原則，大大提高了後勤保障的效率。
根據戰場需要實行後勤保障戰鬥化，要求後勤履行“指揮戰鬥、組織供應”的雙重職能。美軍依仗其空中優勢，給我軍後勤供應造成極大困難。麵對這場無前後方之分的現代化立體戰爭，洪學智同誌提出後勤部隊要“在保障中進行戰鬥，在戰鬥中實施保障”，把後勤保障與後方防衛作戰有機地統一起來，從而扭轉了被動挨打的局麵。戰爭初期與戰爭後期相比，車輛損失率由42.8%下降到1.8%。物資損失率由13.4%下降到10.8%，運輸效率提高76%。三年中，後勤部隊的戰鬥成果也異常顯赫，僅誌願軍直屬後勤部隊就擊落敵機109架，擊傷600餘架。
堅持“千條萬條運輸是第一條”，奇跡般地在朝鮮戰場上建立起打不斷、炸不爛的鋼鐵運輸線。在敵人每天出動幾千架次飛機狂轟濫炸的情況下，洪學智及時提出“千條萬條運輸是第一條”的口號，果斷采取構建運輸網絡、組織接力運輸、開展對空作戰，隨炸隨修隨通等一係列針對性措施，硬是在沒有製空權的情況下，頂住了敵人一次又一次的“絞殺戰”，“窒息戰”，保證了作戰物資源源不斷運往前線，直至前沿陣地和坑道。1951年1月到1952年2月，在美軍實施“絞殺戰”最瘋狂的一年多時間裏，敵機轟炸量增加了7倍，我軍物資運輸量卻不但沒有減少，反而增加了兩倍以上。前線官兵交口稱讚誌願軍的運輸線是“鋼鐵運輸線”，是贏得戰爭的“生命線”。
黨中央、中央軍委對抗美援朝中的後勤保障給予充分肯定，毛主席要求“研究朝鮮戰爭中後勤工作的狀況和經驗，以達到我軍後勤工作現代化和正規化的目的。”朱德總司令稱：抗美援朝戰爭的勝利，“後勤起一半的作用”。就連美軍戰場司令範佛裏特也感歎“共產黨以令人難以置信的頑強毅力，把物資送到前線，創造了驚人奇跡。”
殫精竭慮，在正規化現代化後勤建設中勵精圖治
1953年底，中央軍委召開了全國軍事係統黨的高級幹部會議，確定我軍全麵開展正規化現代化建設。正是在軍隊建設這一重要曆史轉折時刻，洪學智同誌於1954年2月被任命為總後勤部副部長，後任部長。期間，他深入研究新情況，積極解決新問題，建章立製，組織領導全軍後勤實行了一係列曆史性的重大轉變，全麵地奠定了我軍後勤正規化現代化建設的堅實基礎。
狠抓戰略戰役後方基地建設，建立劃區保障和按建製保障相結合的保障體製。根據抗美援朝戰爭後勤工作經驗和對全國預設戰場動員能力調查，洪學智向軍委提出“建立戰略戰役後方基地，作為軍隊建設和作戰的基本依托”的建議。軍委批準後，從1956年開始，陸續展開了大規模的後方基地建設，相繼建成了幾大戰略後方基地和幾十個戰役後方基地。在供應體製上，依照各個軍區作戰方向和所承擔的任務，將全國劃分為若幹個供應區，在軍後勤作為一級供應環節的基礎上，由後勤分部負責對進駐本供應區的部隊實施保障，從而實現了按建製保障和劃區保障相結合的保障模式。這種保障體製在我軍建設中發揮了重要作用。
狠抓正規化後勤教育訓練和科研工作，努力提高全軍後勤人員素質和保障能力。從1954年開始，洪學智就提出狠抓後勤教育訓練，幾年間，創辦各類後勤院校29所，1958年在校學員達兩萬餘名，經過院校培訓的幹部達到在職幹部總數的三分之一。同時，在全軍後勤統一教學大綱，使後勤訓練從以前的應急訓練為主逐步轉向正規的係統教育。結合軍事訓練，每年組織各級後勤戰役戰術集訓，並在合成軍隊戰役戰術演習中演練後勤保障。在此期間，他還先後組織創建了一批後勤科研機構，製訂了一係列科研規劃，實現了我軍後勤科研從無到有，初具規模。