实际上，在斯大林致电毛泽东的当天，中共中央政治局会议已经决定由彭德怀率军入朝作战。斯大林很快就知道了此事。7日，毛泽东再次通过罗申转告斯大林，他赞同斯大林5日来电的基本观点，过一段时间后中国将派9个师入朝作战。但毛泽东同时表示，入朝作战和苏联援助的问题，还需要同斯大林详细会谈。
10月8日，周恩来同林彪飞抵莫斯科。次日，在布尔加宁的陪同下赶往黑海附近斯大林的疗养所。午后，双方开始谈判。
有关谈判的记录和正式文件目前尚未发现，人们只能根据当事人的回忆来判断。有关材料主要有三种来源：一是师哲的回忆。他认为，周恩来是带着“中国不能出兵援朝”的意见去的，只是在接到毛泽东准备出兵的电报后，才同斯大林商谈苏联提供军事援助问题。二是康一民的回忆。与师哲的看法完全相反，他认为，周恩来此行的目的就是告诉斯大林中国出兵的决定，并商谈苏联军事援助和苏联出动空军配合作战问题。三是毛泽东、周恩来的回忆。他俩认为，周恩来带去的是出兵与不出兵两种意见。
据师哲回忆，在斯大林介绍完朝鲜前线的情况后，周恩来说，中国考虑和研究了国内的实际情况，认为以不出兵为宜。因为中国经历长期战争，连年遭受到极其严重的破坏，许多有关国计民生的问题没有解决。如果现在卷入战争，不仅人民的困苦生活无法改善，而且国家的经济恢复工作也无从谈起。在这种情况下，还要担负战争消耗的重担，实在困难。况且军队的武器装备和接济，也是困难重重。战争不是儿戏，一旦陷入进去，多年脱不了身，如何收场？何况，如果这场战争僵持不下，还可能牵涉到各兄弟国家。因此，还是不出兵较好。①
斯大林说，美军已经越过三八线，进攻朝鲜北部地区。金日成如果没有后援，最多能维持一个星期。在此情况下，与其进行无望的抵抗，不如早点主动撤退，以保持现有的力量，或许还有东山再起的希望。无论是北朝鲜人自己撤退，还是被敌人消灭，都意味着让敌人将占领整个朝鲜，美军和李承晚陈兵鸭绿江、图们江。到那时，中国的东北恐怕就不会有安宁的日子了，东北的经济恢复工作也就谈不上了。美国人从空中、陆地、海上随时都可以入侵中国。斯大林甚至要求将北朝鲜的主要力量、武器、物资和部分工作人员、干部撤到中国东北境内，而将老弱病残者、伤员大部分撤到苏联。他解释说，把北朝鲜的有生力量撤到中国东北，便于日后重新进入朝鲜。因为从中国东北进入朝鲜要比苏联容易得多。他还认为，关于撤退计划最好马上就电告金日成，不要拖延。
斯大林这样做自然有他的想法。让北朝鲜的主要力量撤到中国，即使将来回不去，那也只是留在中国境内，跟苏联无关。相反，收留老弱病残者就不存在这样的问题了。
所以，林彪明确地表示不同意。他说，不必撤走朝鲜的有生力量，应该让他们留在朝鲜境内。那里山多、林密，他们可以深入山沟森林，开展长期的游击战争，甚至可以转战朝鲜南北各地，以待时机。
对于林彪的这个建议，斯大林当然不会赞成。他说，敌人是不会允许游击队存在下去的，他们会很快把它消灭掉。既然中国不打算出兵，我们就应考虑如何安置朝鲜同志和他们的武装力量。斯大林声称，苏联也曾想过如何帮助朝鲜同志，可惜我们的军队已全部撤出朝鲜了，如果我们再回到朝鲜就有困难了，因为这等于苏联同美国直接交战。所以，我们的设想是，中国出动一定数量的兵力，苏联供应武器装备。在作战时，苏联再出动一定数量的空军作掩护。但是，斯大林声明，苏联的空军掩护，只限于在后方和前沿活动，不能进入敌后，以免被敌人击落、俘获，这会对苏联造成很不好的影响。①
