出兵援朝决策之后，用一个什么名义出兵有利，颇费了毛泽东与周恩来的一番心思。他们初步定名为“支援军”。在这件事上，他们很想多听听民主人士的意见，觉得民主人士一般阅历深，考虑问题周全。黄炎培知道这件事，主动求见毛泽东。毛泽东和周恩来一起听黄炎培的意见。他很直率，对毛、周的初定名直接提出疑问：“支援军那是派遣出去的。谁派出去支援？国家吗？我们是不是要跟美国宣战？”
毛泽东从笔筒里抓起一支笔，将“支援”二字一抹，在一旁加了两个字：“志愿”，将笔搁下，欣然问道：“老先生看这两个字如何？”
黄炎培定睛一看，“支援军”改成了“志愿军”，频频点头赞许道：“好，好，师出有名，战无不胜！”
毛泽东解释道：“我们不是跟美国宣战，不是国与国宣战，我们是人民志愿的么，这是民间的事情，人民志愿帮助朝鲜人民的，不是国与国的对立。”
周恩来附和道：“世界上有许多志愿军的先例，马德里保卫战就有各国的志愿兵。”
抗美援朝事起，两位领导人又进入了历史上少有的繁忙阶段。他们身边的工作人员都感觉到，毛泽东为考虑出不出兵，连续几天不能入睡。吃安眠药也不管用。
周恩来的忙碌则是另一种形式：不但要“听”，还得“跑”。他不是神，老不休息，他也犯困。参谋、秘书时常看见他在办公时打瞌睡。碰到这种情况，周恩来还是老办法，捏捏鼻子，揉揉眉毛，揪几下头发，或者抹点清凉油。在他修改过的文件上，有时可看到跑笔的痕迹或墨水疙瘩，也有他写花的字，那都是他在过度劳累的时候留下的。
周恩来不仅要“跑”国内，还要“跑”国外。
10月8日，军委主席毛泽东发布了组成中国人民志愿军、由彭德怀任司令员兼政治委员的命令。同一天，毛泽东指派周恩来秘密出访苏联，向斯大林通报我国的出兵决策，并向苏联请求军火援助。周恩来在接到毛泽东交给任务的当天，就带上师哲和机要秘书康一民，乘飞机飞赴莫斯科。不愿肩负入朝指挥作战重任的林彪也同机前往苏联养病。
斯大林正在黑海海滨休假。10月10日，周恩来和林彪又乘飞机赶赴风光秀丽的黑海之滨，会见斯大林。（详见师哲：《在历史巨人身边》）
斯大林与周恩来分别不到一年，彼此都没有什么变化：周恩来还是那身中山服，斯大林也没穿军装，烟斗仍在他手中冒着缕缕青烟。他仔细听着周恩来介绍的中国出兵计划，然后习惯地站起来，在屋里来回走动。他的走动总让人有一种局促不安的感觉。他时常眯缝着眼，环视着所有在座者。
中方是周恩来、林彪，苏方几乎是全体政治局委员，仍由师哲和费德林担任翻译。苏方发言的主要是斯大林，中方是周恩来。
翻译说完了，斯大林缓慢地说：“美军已越过三八线进入朝鲜北部。朝鲜如果没有支援，最多只能维持一个礼拜的时间。在这种情况下，与其进行无望的抵抗，最终被敌人消灭掉，不如早点主动撤退，以保持所剩的有生力量，以待他日。中国同志决定出兵支援朝鲜，你们的考虑是正确的。但是还应该考虑另一方面，美国毕竟是当今世界上的军事强国，美军拥有很大的海空军优势和军事技术装备。”
这几句话倒很对林彪的心思，但在斯大林面前他不愿表露自己的心迹。
周恩来也不说话，以沉默表示反对。
斯大林已敏感地注意到周恩来的表情，耸耸肩膀，笑了笑：“无论是自己撤退，还是被敌人消灭掉，这都意味着让敌人占领整个朝鲜，美军和伪军将陈兵鸭绿江、图们江。估计那时我们、特别是中国的东北恐怕就不会有安宁的日子了。东北的经济恢复恐怕也谈不上了。他们那时怎样都可以进行骚扰……建议把我们商谈的情况，即撤退的意见，立刻电告金日成，不能拖延时间。”
林彪插话：“不必撤走有生力量，而应让他们留在朝鲜境内，那里多山、有森林，他们可以随时进入山沟森林，进行长期游击战争，而且可以转战于朝鲜南北各地，以待时机。”
斯大林对林彪此建议不感兴趣，说恐怕敌人不会让游击队存在下去。趁翻译正在译文时，斯大林打开他那特备的烟盒，取出几支香烟，不慌不忙地将它们捻碎后塞进烟斗，点燃后抽了起来。
周恩来说：“我们考虑到这些问题，准备在朝鲜和美国军队打起来，准备美国宣布和中国进入战争状态，准备应付美国对中国的空中轰炸。”
斯大林随后说：“我们曾经设想如何帮助朝鲜同志。但我们早已声明过，我们的军队已全部撤出朝鲜了。现在我们再出兵去朝鲜有困难，因为这等于我们同美国直接交战。所以设想，中国可以出动一定数量的兵力，我们供应武器装备；在作战时，我们可以出动一定数量的空军做掩护。自然，也只限于在后方和前沿活动，而不能深入敌后，以免被敌人击落、俘获，这在国际上会造成不良影响。”
斯大林的意思是中国也不要出兵，省得出兵后再撤回。以后的会谈便没有什么实质性问题，变成了漫无边际的闲聊。闲聊之后就是苏联人惯常的酒宴。酒宴上，斯大林举着一杯红葡萄酒，向林彪敬酒。但林彪拒绝喝酒，滴酒不沾，惹得斯大林说了句稍带讽刺的话：“酒里没有毒药，稍饮无妨。”林彪还是不肯，斯大林又说了一句，“不知这位将军如何在前线指挥打仗！”结果，除了林彪一人顽固地不祝酒、不饮酒而遭到围攻外，其余的人都已醉眼蒙眬，酒意半酣了。直到太阳从东方升起，宴席才结束。
周恩来返回莫斯科，已是当日午后3时了。他正坐在公寓里准备喝茶水，康秘书和师哲拿着毛泽东刚刚打来的电报，走进来。电文的第一句是：你们走后，我们继续开会，政治局同志多数人主张出兵。周恩来一惊，认真看了一遍电报，的确是仍主张出兵的意思。他坐在沙发上，一言不发，双手抱着头，陷入深深的沉思。因为他昨天已接受了斯大林不出兵的意见，如今怎么办？
过了一会儿，周恩来平静下来，他要师哲立即将电文译成俄文，一页一页随送给他看。他将译好的电文首先送给莫洛托夫，要求他立刻转告斯大林，并约定时间，举行新的会谈。晚上，周恩来同莫洛托夫见面，首先提到来电的内容，希望把来电转告斯大林。
莫洛托夫说：“电文已转去了，但未见回话。不过昨天斯大林同志已谈到中国出兵，军火供应没有问题。虽双方没有最后谈定，但我大概了解一些情况和你们的希望。”
周恩来问他，对中共中央出兵的决定有什么看法。莫洛托夫一再表示，他不能做主，这一切都必须由斯大林来定。莫洛托夫回去后，又打来电话说，苏联不赞成中国立即出兵，也不准备派空军支援。理由是，苏联的空军没有准备好。这显然是斯大林的意见。他担心中国出兵会引起世界大战，甚至主张如果朝鲜失败了，可以让金日成到中国东北组成“流亡政府”。周恩来急了，在电话中嚷起来：“刚刚决定的事情，你们就推翻了？不管苏联怎么样，我国已经决定出兵援朝。”他将这一情况立即电告毛泽东：
斯大林答复苏联空军目前尚未准备好，暂时无法支援中国志愿军作战，请中央对出兵问题再作考虑。
毛泽东接到周恩来的报告，也大吃一惊，他9日已发电，要彭德怀准备集结部队于鸭绿江畔，随时入朝。是马上出兵还是暂缓出兵呢？未曾料到的情况使他陷于焦虑之中。当夜他又接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，决心难定。经与聂荣臻商谈后，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！主席请你和高岗明天迅速来京，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、高又接到毛泽东的急电：
彭、高、邓（华）洪（学智）韩（先楚）解（方）：
（1）10月9日命令暂不执行，十三兵团各部仍就原地进行训练，不要出动。（2）请高岗德怀二同志明日或后日来京一谈。
毛泽东
10月12日20时
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。”
下午，政治局紧急会议在中南海颐年堂召开。毛泽东将嚼在嘴里的茶叶轻轻吐在烟缸里，说道：“我们已经向美国发出警告，敌人也向我们发出了哀的美敦书。现在我们与美国已经是短兵相接，狭路相逢。如果让敌人压到鸭绿江边而我们表现得无能为力，软弱可欺，国内国际反动气焰高涨，对各方都不利，首先是对东北不利。我的意见是，即使没有苏联空军的支援，也要立即出兵。”经彻夜商谈，委员们意见一致。会议结束后，毛泽东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，则对各方都不利，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。
10月14日21时，毛泽东将政治局13日做出的关于立即出兵援朝的第一步方案电告周恩来，其要点是：
我军决定于10月19日开动，全军26万人渡过鸭绿江需要10天时间；为准备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；在我军开进修筑工事期间，朝鲜人民军方面还是继续抵抗，尽可能迟滞美伪军为有利……
毛泽东将上述决定告诉周恩来，是因为“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。中央认为这样改变出兵方案，有必要通知苏方，以使苏联了解中国出兵的情况，从而尽快争取到苏联的援助。”毛泽东在电文中指示周恩来“留在莫斯科几天”，以便同斯大林沟通。
周恩来在接到毛泽东的电报后，立即致电斯大林，提出：“苏联志愿空军在出动16个团的喷气式飞机之后，可否继续出动轰炸机到朝鲜配合中国军队作战？”并询问：“志愿军进入朝鲜作战，当其与朝鲜人民军配合作战时，在双方指挥关系上应如何解决？”在电文最后，周恩来还附上中国政府第一批开出的各种炮类及其附属器材的订货单。
周恩来在后面的两三天里，办妥了军火。在双方谈判中，只谈到军火的数目，而没有涉及军火的价格。这倒不是周恩来的疏漏，他的想法是，中国接受苏方的军火，应该看作是苏方对抗美援朝的无私援助，不应收钱。
师哲有些担心：“根据我对苏联的了解，他们办具体事情的人不会同意我们不付钱的想法。”
飞机在万里云层之上航行。周恩来望望舷窗之外翻舞的云团，伸伸疲惫的身躯，说道：“准备下次会见斯大林时，正式提出这个问题，争取做出明确规定来。”
遗憾的是，后来没有机会再谈此事。斯大林死后，中苏关系恶化，赫鲁晓夫要讨旧债……
此时敌进甚速，平壤被困，危在旦夕。
就在这关键时刻，斯大林从维护苏联自身利益、避免同美国发生直接武装对抗的立场出发，改变主意，要莫洛托夫转告周恩来：苏联现决定只派遣空军到鸭绿江北岸的中国境内驻防，两个或两个半月后，也不准备进入朝鲜境内掩护中国人民志愿军作战。
看来深思熟虑的斯大林不愿再冒险了，他甚至觉得中苏朝的联盟会引发第三次世界大战，而美国的重磅炸弹将落在充满和平气息的苏维埃疆土，这是他最不愿意看到的。
得到斯大林改变主意的消息后，毛泽东沉重地叹了一口气，久久地坐在椅子上，一支接一支地吸着烟。客观地说，毛泽东对斯大林是有看法的，但从国际大局出发，他并不想在公开场合宣泄这种情绪，于是便常常有了些无名火。他一生信守诺言，痛恨出尔反尔；然而他性格中更主要的成分是迎接挑战，决不低头。他的方式就是面对现实。10月17日17时，毛泽东再次急电原拟18日赶赴朝鲜的彭德怀和高岗，要他们于18日火速回京，并告：“对出兵时间，以待周（恩来）18日回京向中央报告后确定为宜。”
10月18日，毛泽东主持会议，再次研究出兵朝鲜之事。会上，由刚刚回到北京的周恩来介绍了几天来同斯大林、莫洛托夫等会谈的情况。毛泽东最终决断：“现在敌人已围攻了平壤，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。”随后，彭德怀奉毛泽东指示，以毛泽东的名义，拟发了给十三兵团和东北军区领导的特急绝密电报，告知中央的决定，中国人民志愿军于19日入朝作战。
关于此事，在以后的20多年间，周恩来、毛泽东都曾多次谈起。
1970年10月10日，毛泽东、周恩来会见金日成首相时，两人重话当年：
毛泽东说：“虽然摆了5个军在鸭绿江边，可是我们政治局总是定不了……在那个时候，因为中国动摇，斯大林也就泄了气，说算了吧！后头不是总理去了吗？是带了不出兵的意见去的吧？”
周恩来点头称是：“两种意见，要他选择。我们出兵就要他的空军支持我们。”
毛泽东强调：“我们只要他们空军帮忙，但他们不干。”
周恩来：“开始的时候，莫洛托夫赞成了，以后斯大林又给他打电话说，不能用空军支持，空军只能到鸭绿江边。”
毛泽东：“最后才决定了，国内去了电报，不管苏联出不出空军，我们去。我看也还要感谢苏联，它总帮助了我们军火和弹药嘛，算半价。还有汽车队呀。”