如前文所示，中国在朝鲜战争爆发之前曾经对金日成表示过打算出兵支援，战争爆发之后又提出过派军事观察团到朝鲜战场了解情况。然而，真地到了要中国军队到朝鲜战场上唱主角的时候，毛泽东就不能不认真考虑再三了。
10月2日，毛泽东也通过苏联驻华大使罗申向斯大林陈述了中国暂不出兵的意见：
我们原先打算，当敌人向三八线以北进攻时，调动几个师的志愿军到北朝鲜帮助朝鲜同志。但是，经过慎重考虑，我们现在认为，这一举动会造成极为严重的后果。
第一，靠几个师很难解决朝鲜问题（我军装备极差，同美军作战无胜利把握），敌人会迫使我们退却。
第二，最大的可能是，这将引起美国与中国的公开冲突，结果苏联也可能被拖进战争中来，这样一来，问题就变得极其严重了。
中共中央的许多同志认为，对此必须谨慎行事。
当然，我们不派兵援助，这对于正处在如此困难境地的朝鲜同志来说，是十分不利的，我们自己也于心不忍；但如果我们出动几个师，随后又被敌人驱赶回来，并由此引起美国与中国的公开冲突，那末我们整个的和平建设计划将被全部打乱，国内许多的人会对我们不满（战争给人民带来的创伤尚未平息，人民需要和平）。
因此，目前最好还是克制一下，暂不出兵，同时准备力量，这样做在把握与敌作战的时机上会比较有利。
苏联人对中国不出兵的理由则不以为然。罗申在转呈毛泽东的电报时告诉斯大林：“在我看来，毛泽东的答复证明中国领导人改变了对朝鲜问题的最初立场。”斯大林更是抓住中国领导人要解放台湾的心理，告诉毛泽东：
如果中国只是消极地等待，而不是进行一场认真的较量，再一次使人信服地显示出自己的力量，那么中国就得不到这些让步（主要指美国放弃台湾--引者）。中国不仅得不到所有这些让步，甚至连台湾也得不到，美国人将会把持台湾，把它作基地。
当然，我也考虑过，美国尽管没有做好大战的准备，仍可能为了面子而被拖进大战，这样一来，自然中国将被拖入战争，苏联也将同时被拖入战争，因为它同中国签有互助条约。这需要害怕吗？我认为不需要，因为我们在一起将比美国和英国更有力量，德国现在不能给美国任何帮助，而欧洲其他资本主义国家更不成为重要的军事力量。如果战争不可避免，那么让它现在就打，而不要过几年以后，到那时日本帝国主义将复活起来并成为美国的盟国，而在李承晚控制整个朝鲜的情况下，美国和日本将会在大陆有一个现成的桥头堡。
其实，毛泽东等中国领导人犹豫不决的主要原因不是怕卷入战争，而是清楚地知道中美两国军队的武器装备差遣太大。当时，美国仅在朝鲜战场上1个军有两步兵师和1个机械化师，各种口径的大炮1500门；而中国的1个军只有3个步兵师，各种口径的大炮36门。更为重要的是，美军拥有1100多架各种作战飞机，完全掌握着制空权，而中国的空军才刚刚开始训练，预计到1952年才能有300架飞机出战。经济实力相差更大，1950年，中国钢产量只有61万吨，工农业总产值只有574亿元人民币，而美国钢产量则高达8770万吨，工农业总产值为15078亿美元。 从事态后来的发展看，中国领导人并不是绝对不想出兵，而是出兵要有一个前提条件，即必须得到苏联方面强有力的军事援助，特别是提供空军的支持。
正是基于这种原因，毛泽东决定派周恩来秘密访问苏联，同斯大林具体商议如何支援北朝鲜的事宜。经过两天的行程，10日，周恩来抵达莫斯科，次日到了黑海边的休养胜地拜见斯大林。根据中国学者的最新研究成果，周恩来此行带去了中国的两个方案，一是暂不出兵，二是中国出兵，但前提必须是苏联要出动飞机帮助。“当天下午举行双边会谈，苏联方面出席的是斯大林和几乎全体政治局委员，中国方面出席的是周恩来和林彪，费德林和师哲担任翻译。所师哲回忆，会谈的内容主要有以下几点：（一）斯大林解释苏联不能出兵的理由。斯大林认为苏联虽设想过帮助朝鲜，但早已声明苏联从朝鲜全部撤出，所以不能出现在战场，更不能同美国直接对抗，否则就是国际问题了。斯大林说苏方可以出动一定数量的空军作掩护，但只限于前沿作战，不能深入敌后，以免飞机被击落，飞行员被俘，或者尸体落入美军手中，造成国际影响。（二）斯大林劝中国出兵，理由是中国人与朝鲜人长相相近，难以区分；中国与美国没有外交关系，行动可以自由自主。如果中国出兵，苏联将供应武器和装备。（三）周恩来阐述中国出兵的困难：中国人民长期遭受战争之苦，许多国计民生问题尚未解决，目前刚刚结束战争，正在恢复和建设等等。（四）斯大林建议，如果中国不出兵，就通知金日成早些撤过鸭绿江，保存有生力量，可将主力部队撤到中国休整，以利再战。
会谈结束后于当晚七时斯大林与周恩来联名致电中共中央，通报了会谈结果。电报内容尚未披露，但根据师哲的回忆，可能包括上述会谈内容以及决定中苏均暂不出兵，要金日成撤到鸭绿江以北的安排。另外，据毛泽东十三日给周恩来的回电看，肯定还有一项内容，即苏联空军目前尚未准备好，暂无法出动，‘须待两个半月内才可出动空军支援志愿军在朝鲜作战’。”
周恩来与斯大林这次会谈之后一直到19日中国正式出兵，中苏两国领导仍然围绕出兵条件，特别是苏联向中国提供军事援助问题进行商讨。斯大林与毛泽东之间通过罗申转呈的多封秘密电报充分地说明了这种商谈之艰难。中国最终决定出兵抗美援朝的决策就是在这种背景下做出的。
开始的时候，毛泽东等中国领导人认为，朝鲜战争北朝鲜在苏联的支持下发动的，所以，当朝鲜人民军处于极其不利的情况下，斯大林理应全力帮助北朝鲜，至少会同意出动空军支持中国抗美援朝。因此，10月2日，在主持召开中央政治局扩大会议之前，毛泽东就打电报给东北军区司令员兼政委高岗和当时负责东北边防军的第13集团军司令邓华，要求他们率军随时准备入朝作战。不过，在随后召开的政治扩大会议上，出现了严重分歧，很多人都因对于取胜没有把握而反对出兵，毛泽东也只好作罢，在给斯大林的电报中拒绝了苏联的要求。但这不等于放弃出兵援朝的打算，4日，毛泽东又与从西安受命返京的彭德怀进行协商，初步达成一致，即如果有苏联的军事援助和空中掩护中国就可以考虑出兵。这样，就在周恩来启程前往莫斯科的8日那天，毛泽东以中共中央军委主席的名义发布命令，由13兵团所属的第38军、39军、40军、42军及边防炮兵司令部与所属的炮兵1师、2师和8师组织中国人民志愿军，任命彭德怀为司令员兼政委。
就在中国人民志愿军整装待发的时候，毛泽东获悉周恩来同斯大林会谈的结果，感到十分失望，便于12日命令原准备出动的东北部队就地整训并如彭德怀和高岗进京。由于美国军队此时已经越过了三八线进行北犯，在13日召开的中央政治局紧急会议上，毛泽东强忍住内心对苏联、对斯大林的不快，说服与会者再一次决定出兵赴朝作战。同时，毛泽东拍电报给周恩来，要他在莫斯科多呆几日，继续与苏联领导讨论中国出兵的条件，尽量争取苏联的军事援助。如果苏联能够用租借的方式向中国提供2亿美元的货款，能够在两个月到两个半月内出动飞机帮助中国的话，中国政府可以出兵援朝，时间大体上是在19日。
经过磋商，14日苏联政府答应援助中国军事装备和信用货款并将出动16个团的喷气飞机掩护中国人民志愿军。第二天，平壤告急，金日成的特使朴宪永来到沈阳会见彭德怀，请求中国尽快出兵。彭德怀告诉朴宪永中国政府已经决定在18日或19日出兵赴朝作战。就在这同一天，毛泽东又电告彭德怀和高岗，志愿军赴朝作战的日期最好能提前到17日。
可是，当中国军队即将出发之际，斯大林却又一次显露出不愿意承担任何风险，只想坐享其成的民族利己主义的特点。在一封给苏联驻平壤大使什特科夫的特急电报中，斯大林告诉他：“经过一段犹豫不决，中国人已最后做出向朝鲜派出他们的军队的决定。我很满意这个有利于北朝鲜的决定。在这个问题上，您不必考虑以前我们高级官员与中国领导人会谈时做出的建议。”此外，斯大林还批示莫洛托夫转告周恩来，苏联派遣的空军只能驻扎在鸭绿江北岸的中国境内，两个月或两个月之后也不准备进入朝鲜境内掩护中国人民志愿军。
事态的进一步发展，中国学者是这样写的：
几天前斯大林虽然表示苏联空军不能在敌后作战，但毕竟答应在“前沿”作战，这当然可以为志愿军的出击提供空中掩护。现在苏联决定空军不入朝作战，也就意味着中国军队在朝鲜战场根本无法得到空中掩护。这不能不使中国重新考虑出兵问题。于是，毛泽东在17日下午5时再次急电彭德怀和高岗改变计划。15日原定先头部队17日出动，现改为“准备于19日出动”，并且说明18日“当再有正式命令”，电报还要彭、高二人乘飞机回京商谈。
毛泽东于18日又一次主持召开中共中央会议，研究出兵朝鲜问题。会上，刚回到北京的周恩来介绍了几天来同斯大林、莫洛托夫等人会谈的情况，彭德怀介绍了志愿军出国前的准备情况。毛泽东最终决断说：“现在敌人已围攻平壤，再过几天敌人就进到鸭绿江了。我们不论有天大的困难，志愿军渡江援朝不能再变，时间也不能再推迟，仍按原计划渡江。”会后，毛泽东于晚9时给邵华等同志去电，命令部队按预定计划，自10月19日晚从安东（即今天辽宁省丹东市）和辑安（即今天的吉林省集安市）两地渡过鸭绿江，入朝作战。就在这一天，以美国为首的“联合国军”占领了平壤。
而苏联人则说：
在斯大林的压力下，中国政府只是在中国的安全确实受到威胁，朝鲜民主主义人民共和国正面临生死存亡的时刻，才决定派遣志愿军入朝作战。1950年10月下半月，中国人民志愿军开始入朝作战。随后不久，中国入朝部队的总数达100万人，还有在约同样数量的人员被派往朝鲜做运输工作。
中苏在出兵援朝问题上的分歧是不难看出的，同样为双方后来的不和埋下种子。但是，不管怎么说，中国虽然无端地承担了金日成与斯大林应负的责任，但最终还是出兵了，抗美援朝的序幕由此正式拉开。
