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，让敌人压至鸭绿江边，国内国际反动气焰增高，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日作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日开始，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个步兵师三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六个师，而中央根据彭德怀的建议，改变了原来的方案，将12个步兵师和三个炮兵师及战车团、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，争取作出明确规定来。”
　　 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：“虽然摆了五个军在鸭绿江边，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。”