斯大林在会谈中曾推测过中方的意图，他说：如果中国政府寻找借口，以划分边界要求收回已作出承认外蒙古的要求，就应该“直截了当地和坦率地讲清楚”。斯大林坚持认为，外蒙古边界十分清楚，25年来，外蒙古同新疆的边界一直没有发生纠纷，因而拒绝了宋子文提出的由中苏联合委员会堪定外蒙古边界的提议。斯大林还向中方施加压力，重新提出关于立即承认外蒙古的要求。他甚至说，如果中国再纠缠外蒙古边界问题，内蒙古的疆界将会消失于外蒙古，成为一个更大的蒙古共和国。斯大林还警告宋子文：中国政府最好尽快同意达成一项协议，否则，中国共产党就要进入满洲了。
尽管双方经过激烈的争论，但在外蒙古的边界问题以及旅顺口、大连和中东铁路的行政管理问题上仍未达成一致意见。据王世杰分析，斯大林始终没有拿出苏方地图，原因在于：一是苏方预计其地图既包括新疆一部分领土，中方可能不会接受；二是唐努乌梁海等地方，原属外蒙古，现已成苏联的一个属国。但王世杰认为，苏方这种态度“似非蓄意与我为难，其欲藉此次缔约，改进中、苏关系之心，似属相当诚挚。”
此时，苏军已经深入中国东北腹地，斯大林在外蒙古问题上的态度变得十分强硬。8月11日，宋子文致电蒋介石，表示：“恐再难强苏方让步”。但是，蒋介石一连两次回电坚持在承认外蒙古独立之前“堪定界线”，否则“外蒙问题之纠纷，仍不能解决”。蒋介石要求宋子文、王世杰“抱定此决心与态度”，即使停止谈判，“亦所不恤”。宋子文、王世杰在商量之后认为，这个时候还谈论堪界问题显然已经不现实了，遂于8月12日致电蒋介石：中苏条约必须缔结，“倘再迁延，恐易引起意外变化”，对于外蒙古及其他未决事项，“可否授权权宜处置”。王世杰在电报中更是直截了当地说，如果中方要求先堪界，而后承认外蒙独立，则“为故意延宕，苏方决不能同意”。外蒙古问题谈判毫无结果，王世杰感到“不胜惶恐”。他分析了其中的利害关系：此次缔约，可以明中苏之间关系，保证苏军撤退，限定苏方在东北的权益，“凡此皆为今后统一及建国所必需，倘再停止谈判，则形势必立变，前途隐忧甚大”。8月13日，蒋介石回电宋子文、王世杰，准其“权宜处置”。
8月12日的谈判是在莫洛托夫和宋子文之间进行的，双方就大连、旅顺和中东路问题进行了会谈。莫洛托夫坚持要把旅顺和大连的行政管理权划归苏联，并且主张苏方在旅顺口军事委员会中占居优势，而且由苏联人担任主席。莫洛托夫还坚持将大连港所有建筑物和设备划归苏联，大连港主任由苏联人担任。
