关于出兵援朝问题，本来中苏双方早已商定：地面兵力由中国负责。空军掩护支援由苏联负责。因此当中央于10月2日决定出兵援朝后，于当日深夜即将决定电告斯大林，以便苏联空军作出准备。但是当8日晚周恩来飞抵莫斯科后，被告知斯大林正在苏联南方黑海之滨克里米亚附近的阿布哈季亚别墅休假，9日上午周恩来和翻译师哲在苏联元帅布尔加宁的陪同下，乘苏联政府专机飞抵克里米亚，然后乘汽车前往克里米亚以东的阿布哈季亚，当晚7时与斯大林开始会谈。苏方参加会谈的有马林科夫、卡冈诺维奇、贝利亚、米高扬、布尔加宁和莫洛托夫。会谈主要协商在中国志愿军入朝时，苏联能出动多少战斗机和轰炸飞机支援中国援朝志愿军，并由谁担任指挥，以及中国地面部队更换苏联武器装备等问题。
出乎预料的是斯大林根据朝鲜战争10月2日以后的事态发展，判断美国已不惜代价和风险，决心向鸭绿江边中苏边境进攻。他担心如苏联空军在中、苏、朝边境与美国飞机和地面部队作战，可能会引起苏美之间的直接军事冲突，有诱发第三次世界大战的危险。所以，在出动空军支援中国志愿军作战的立场上犹豫后退了。
斯大林在与周恩来的谈判中，明确表示，苏联可以先给中国20个师的武器装备并尽快运到满洲里，但是苏联空军目前尚未准备好，暂时无法出动。其实，空军和陆军不同，飞机调动转场不过三两天就可准备完毕，而当时还有10天准备时间，完全可以作好一切准备工作。斯大林的态度，不过是犹豫推委之意。
中苏这次高级会谈直到次日凌晨5时才结束，中方代表周恩来对这一突然变化大吃一惊，立刻感到事关全局，于是他在苏外长莫洛托夫陪同下，赶紧于10月10日飞回莫斯科，在中国大使馆将苏联空军暂时不能出动的情况迅速电告。
10月10日下午收到周恩来的电报未曾料到的突然情况立即使他陷入焦虑之中，是马上出兵还是暂缓出兵呢？当夜他又突然收到彭德怀自安东发来的准备11日晨入朝与金日成会谈的电报，这两份电报使他翻来覆去更感决心难定。经与代总长聂荣臻商谈后，他决定立即给彭德怀发电，通知彭明天先不要入朝而是和高岗一起迅速回京开会。
这时已是深夜，聂荣臻考虑万一明晨以前彭德怀收不到电报，彭就将入朝会见金日成，于是聂荣臻于11日晨1时左右赶到总参谋部作战室给彭德怀打电话： 你来电已收到，原定方案有变化！
有变化！主席请你和高岗明天迅速回京，中央有要事讨论。”
10月11日下午，彭德怀奉命带了指挥所负责人成普由安东乘火车于深夜抵沈阳。12日，彭德怀在沈阳和高岗召集东北局和东北军区的领导紧急开会，针对他在安东调查到的部队存在的困难，特别是后勤供应问题研究了一些紧急措施和解决办法。当晚8时，彭、高又接到急电：
（1）10月9日命令暂不实行，13兵团各部仍就地进行训练不要出动。
（2〕请高岗、德怀二同志，明日来京一谈。
13日早饭后，高岗、彭德怀即乘专机由沈阳飞回北京，由聂荣臻代总长在北京饭店迎接，聂说：“下午要召开政治局会议，对出兵问题再次讨论。”
在彭德怀与高岗奉命回北京之前，以美军为首的“联合”已全部越过“三八线”，并已作好大举进攻平壤的准备。10月9日麦克阿瑟以威逼口吻向朝鲜民主主义人民共和国领导人发出最后通牒： 最后一次要求你和你指挥下的军队，立即放下武器并停止作战。
10月10日下午4时，印度驻中国大使潘尼迦又到我国外交部转交了英国外交大臣贝文致我国外交部部长周恩来的电报，称：“如果北朝鲜不愿放下武器，那么‘联合’统帅将无他途可循。”面对敌人大军压境威胁恫吓的情况，金日成首相于10月10日紧急召见我国驻朝鲜临时代办柴军武同志，明确表示：“我们决不会放下武器，决不会投降，我们要抵抗到底。”
11日金日成首相以誓死保卫祖国的决心向朝鲜全国发表广播说：“今天我们最重要的任务是用鲜血保卫祖国的每一寸土地。”
10月13日下午，主席再次在中南海颐年堂主持了中央政治局紧急会议，彭德怀在会议上汇报了三个问题：（1）与朝鲜代表朴一禹会谈的内容。（2）当前侵朝“联合”兵力部署和动向。（3）志愿军各部备战情况和存在的亟待解决的问题。
经彻夜会议后，政治局同志一致认为，即使没有苏联空军的支援，也必须立即出乓援朝。
会议号召要自力更生，发扬我军历史上以劣势装备战胜优势装备敌人的丰富经验，克服各种困难，即刻入朝迎击冒犯之敌。
聂荣臻元帅在回忆主席在政治局会议上对是否出兵援朝作战时写道：“对于打不打的问题，同志也是左思右想，想了很久。
同志对这件事确实是思之再三，煞费心血的，最后才下了决心。中央作出最后决定后，彭德怀为防止部队对出兵援朝产生怀疑和松懈情绪，立刻在中南海给与他同机飞回北京正在军委作战部待命的成普打电话，让他给志愿军参谋长解方发出急电，要求志愿军各部仍要继续作好出国准备。”
就在13日政治局会议结束后的当晚，给仍在莫斯科的周恩来发了火急电报： 与政治局的同志商量结果，一致认为我军还是出动到朝鲜为有利……
我们采取上述积极政策，对中国、对朝鲜对东方、对世界都极为有利。而我们不出兵，让敌人再压至鸭绿江边，则对各方却不利，首先是对东北更不利，整个东北边防军将被吸住，南满电力将被控制。总之，我们认为应当参战必须参战，参战利益极大，不参战损害极大。
政治局紧急会议结束后，还与高岗、彭德怀进一步研究了志愿军出国时间、渡江方案，以及东北对志愿军后方供应保障问题。
14日清晨，由于天气不好，飞机飞行有困难。根据的指示，高岗先乘火车离京返回沈阳，立即召集志愿军、东北军区和东北局的负责人开会，传达了政治局的最后决定。宣布立即作入朝的各项准备，并决定准备召开参战部队师以上干部动员大会。
14日全天，与彭德怀又详细研究了志愿军的出兵和作战方案，最后确定志愿军各部于10月18日或19日分批渡江，先在平壤以北适当山岳地区组织防御，待机歼敌。
10月14日21时，将中央政治局10月13日作出的关于立即出兵援朝的决定和第一步作战方案电告周恩来，其要点如下：
（1）我已告彭德怀在他到德川研究情况后，在平壤至元山铁路线以北，德川、宁远公路线以南地区构筑两道至三道防御阵地。如敌来攻，则在阵地前面分割歼灭之；
（2）美军进攻到平壤需要时间，由平壤再向德川进攻又需要时间；
（3）我军决于10月19日开动，全军26万人渡过鸭绿江需要10天时间；
（4）为准备在11月内在敌进攻德川区域时，打一个胜仗，我们决定12个步兵师3个炮兵师均开进为好；
（5）在我军开进修筑工事期间，朝鲜人民军方面还是继续抵抗，尽可能迟滞美伪军前进为有利。
为什么将上述决定告知周恩来？因为“斯大林本来希望我们出动6个师”而中央根据彭德怀的建议改变了原来的方案，将12个步兵师和3个炮兵师及战车团、高炮团、工兵团等全部出动。中央认为这种改变出兵方案，有必要通告苏方，以便苏联方面了解我国出兵情况，从而尽快解决中国人民志愿军的困难。
10月15日清晨，彭德怀乘飞机自北京飞回沈阳。这一天他在沈阳一面部署志愿军出兵援朝的各项准备工作，一面又利用短暂时间视察了鞍山钢铁厂和沈阳兵工厂。因为他知道东北是我国重工业基地，打仗要靠重工业，战争的胜负，除了人是主要的因素外，武器是重要的因素。
当他在沈阳参观了刚试制生产的六管火箭炮实弹射击后，又惊又喜地称赞工厂的负责同志说：“你们工作很有成绩！我们也有自己的火箭炮了。”他还亲切地鼓励职工们加紧生产，支援前线，要在技术上精益求精，并指示工厂领导要采取措施，改善工人的生活条件和劳动条件。
15日，由于敌军已全面开始围攻平壤，平壤危在旦夕。金日成首相特派副首相兼外务相朴宪永前来沈阳会见彭德怀。朴向彭说明敌军已逼近平壤，金首相要求中国尽快出兵，并希望与彭德怀同志早日会面，彭德怀告诉朴：“我们中央已最后决定，预定自10月19日开始，部队分批渡江，希望人民军继续阻击敌人，迟滞敌人，我同高岗今天要赶赴安东，去布置13兵团部队渡江汁划……”。