關於出兵援朝問題，本來中蘇雙方早已商定：地面兵力由中國負責。空軍掩護支援由蘇聯負責。因此當中共中央於10月2日決定出兵援朝後，毛澤東於當日深夜即將決定電告斯大林，以便蘇聯空軍作出準備。但是當8日晚周恩來飛抵莫斯科後，被告知斯大林正在蘇聯南方黑海之濱克里米亞附近的阿布哈季亞別墅休假，9日上午周恩來和翻譯師哲在蘇聯元帥布爾加寧的陪同下，乘蘇聯政府專機飛抵克里米亞，然後乘汽車前往克里米亞以東的阿布哈季亞，當晚7時與斯大林開始會談。蘇方參加會談的有馬林科夫、卡岡諾維奇、貝利亞、米高揚、布爾加寧和莫洛托夫。會談主要協商在中國志願軍入朝時，蘇聯能出動多少戰鬥機和轟炸飛機支援中國援朝志願軍，並由誰擔任指揮，以及中國地面部隊更換蘇聯武器裝備等問題。
出乎預料的是斯大林根據朝鮮戰爭10月2日以後的事態發展，判斷美國已不惜代價和風險，決心向鴨綠江邊中蘇邊境進攻。他擔心如蘇聯空軍在中、蘇、朝邊境與美國飛機和地面部隊作戰，可能會引起蘇美之間的直接軍事衝突，有誘發第三次世界大戰的危險。所以，在出動空軍支援中國志願軍作戰的立場上猶豫後退了。
斯大林在與周恩來的談判中，明確表示，蘇聯可以先給中國20個師的武器裝備並盡快運到滿洲裡，但是蘇聯空軍目前尚未準備好，暫時無法出動。其實，空軍和陸軍不同，飛機調動轉場不過三兩天就可準備完畢，而當時還有10天準備時間，完全可以作好一切準備工作。斯大林的態度，不過是猶豫推委之意。
中蘇這次高級會談直到次日凌晨5時才結束，中方代表周恩來對這一突然變化大吃一驚，立刻感到事關全局，於是他在蘇外長莫洛托夫陪同下，趕緊於10月10日飛回莫斯科，在中國大使館將蘇聯空軍暫時不能出動的情況迅速電告毛澤東。
毛澤東10月10日下午收到周恩來的電報未曾料到的突然情況立即使他陷入焦慮之中，是馬上出兵還是暫緩出兵呢？當夜他又突然收到彭德懷自安東發來的準備11日晨入朝與金日成會談的電報，這兩份電報使他翻來覆去更感決心難定。經與代總長聶榮臻商談後，他決定立即給彭德懷發電，通知彭明天先不要入朝而是和高崗一起迅速回京開會。
這時已是深夜，聶榮臻考慮萬一明晨以前彭德懷收不到電報，彭就將入朝會見金日成，於是聶榮臻於11日晨1時左右趕到總參謀部作戰室給彭德懷打電話： 你來電已收到，原定方案有變化！
有變化！主席請你和高崗明天迅速回京，中央有要事討論。」
10月11日下午，彭德懷奉命帶了指揮所負責人成普由安東乘火車於深夜抵瀋陽。12日，彭德懷在瀋陽和高崗召集東北局和東北軍區的領導緊急開會，針對他在安東調查到的部隊存在的困難，特別是後勤供應問題研究了一些緊急措施和解決辦法。當晚8時，彭、高又接到毛澤東急電：
（1）10月9日命令暫不實行，13兵團各部仍就地進行訓練不要出動。
（2〕請高崗、德懷二同志，明日來京一談。
13日早飯後，高崗、彭德懷即乘專機由瀋陽飛回北京，由聶榮臻代總長在北京飯店迎接，聶說：「下午要召開政治局會議，對出兵問題再次討論。」
在彭德懷與高崗奉命回北京之前，以美軍為首的「聯合國軍」已全部越過「三八線」，並已作好大舉進攻平壤的準備。10月9日麥克阿瑟以威逼口吻向朝鮮民主主義人民共和國領導人發出最後通牒： 最後一次要求你和你指揮下的軍隊，立即放下武器並停止作戰。
10月10日下午4時，印度駐中國大使潘尼迦又到我國外交部轉交了英國外交大臣貝文致我國外交部部長周恩來的電報，稱：「如果北朝鮮不願放下武器，那麼『聯合國軍』統帥將無他途可循。」面對敵人大軍壓境威脅恫嚇的情況，金日成首相於10月10日緊急召見我國駐朝鮮臨時代辦柴軍武同志，明確表示：「我們決不會放下武器，決不會投降，我們要抵抗到底。」
11日金日成首相以誓死保衛祖國的決心向朝鮮全國發表廣播說：「今天我們最重要的任務是用鮮血保衛祖國的每一寸土地。」
10月13日下午，毛澤東主席再次在中南海頤年堂主持了中央政治局緊急會議，彭德懷在會議上匯報了三個問題：（1）與朝鮮代表樸一禹會談的內容。（2）當前侵朝「聯合國軍」兵力部署和動向。（3）志願軍各部備戰情況和存在的亟待解決的問題。
經徹夜會議後，政治局同志一致認為，即使沒有蘇聯空軍的支援，也必須立即出乓援朝。
會議號召要自力更生，發揚我軍歷史上以劣勢裝備戰勝優勢裝備敵人的豐富經驗，克服各種困難，即刻入朝迎擊冒犯之敵。
聶榮臻元帥在回憶毛澤東主席在政治局會議上對是否出兵援朝作戰時寫道：「對於打不打的問題，毛澤東同志也是左思右想，想了很久。
毛澤東同志對這件事確實是思之再三，煞費心血的，最後才下了決心。中央作出最後決定後，彭德懷為防止部隊對出兵援朝產生懷疑和鬆懈情緒，立刻在中南海給與他同機飛回北京正在軍委作戰部待命的成普打電話，讓他給志願軍參謀長解方發出急電，要求志願軍各部仍要繼續作好出國準備。」
就在13日政治局會議結束後的當晚，毛澤東給仍在莫斯科的周恩來發了火急電報： 與政治局的同志商量結果，一致認為我軍還是出動到朝鮮為有利……
我們採取上述積極政策，對中國、對朝鮮對東方、對世界都極為有利。而我們不出兵，讓敵人再壓至鴨綠江邊，則對各方卻不利，首先是對東北更不利，整個東北邊防軍將被吸住，南滿電力將被控制。總之，我們認為應當參戰必須參戰，參戰利益極大，不參戰損害極大。
政治局緊急會議結束後，毛澤東還與高崗、彭德懷進一步研究了志願軍出國時間、渡江方案，以及東北對志願軍後方供應保障問題。
14日清晨，由於天氣不好，飛機飛行有困難。根據毛澤東的指示，高崗先乘火車離京返回瀋陽，立即召集志願軍、東北軍區和東北局的負責人開會，傳達了政治局的最後決定。宣佈立即作入朝的各項準備，並決定準備召開參戰部隊師以上幹部動員大會。
14日全天，毛澤東與彭德懷又詳細研究了志願軍的出兵和作戰方案，最後確定志願軍各部於10月18日或19日分批渡江，先在平壤以北適當山嶽地區組織防禦，待機殲敵。
10月14日21時，毛澤東將中共中央政治局10月13日作出的關於立即出兵援朝的決定和第一步作戰方案電告周恩來，其要點如下：
（1）我已告彭德懷在他到德川研究情況後，在平壤至元山鐵路線以北，德川、寧遠公路線以南地區構築兩道至三道防禦陣地。如敵來攻，則在陣地前面分割殲滅之；
（2）美軍進攻到平壤需要時間，由平壤再向德川進攻又需要時間；
（3）我軍決於10月19日開動，全軍26萬人渡過鴨綠江需要10天時間；
（4）為準備在11月內在敵進攻德川區域時，打一個勝仗，我們決定12個步兵師3個炮兵師均開進為好；
（5）在我軍開進修築工事期間，朝鮮人民軍方面還是繼續抵抗，盡可能遲滯美偽軍前進為有利。
毛澤東為什麼將上述決定告知周恩來？因為「斯大林本來希望我們出動6個師」而中央根據彭德懷的建議改變了原來的方案，將12個步兵師和3個炮兵師及戰車團、高炮團、工兵團等全部出動。中央認為這種改變出兵方案，有必要通告蘇方，以便蘇聯方面瞭解我國出兵情況，從而盡快解決中國人民志願軍的困難。
10月15日清晨，彭德懷乘飛機自北京飛回瀋陽。這一天他在瀋陽一面部署志願軍出兵援朝的各項準備工作，一面又利用短暫時間視察了鞍山鋼鐵廠和瀋陽兵工廠。因為他知道東北是我國重工業基地，打仗要靠重工業，戰爭的勝負，除了人是主要的因素外，武器是重要的因素。
當他在瀋陽參觀了剛試制生產的六管火箭炮實彈射擊後，又驚又喜地稱讚工廠的負責同志說：「你們工作很有成績！我們也有自己的火箭炮了。」他還親切地鼓勵職工們加緊生產，支援前線，要在技術上精益求精，並指示工廠領導要採取措施，改善工人的生活條件和勞動條件。
15日，由於敵軍已全面開始圍攻平壤，平壤危在旦夕。金日成首相特派副首相兼外務相樸憲永前來瀋陽會見彭德懷。樸向彭說明敵軍已逼近平壤，金首相要求中國盡快出兵，並希望與彭德懷同志早日會面，彭德懷告訴樸：「我們中央已最後決定，預定自10月19日開始，部隊分批渡江，希望人民軍繼續阻擊敵人，遲滯敵人，我同高崗今天要趕赴安東，去佈置13兵團部隊渡江汁劃……」。