10月6日，周恩来在居仁堂主持中央军委会议，会上传达了党中央关于出兵朝鲜的决定，并研究部署志愿军出动的各项准备工作。林彪在会上继续表示不赞成出兵，他的主要意见是，为了拯救朝鲜而把中国打烂不值得，因装备太差与美军作战没有胜利把握，美国可能用原子弹或大规模空军袭击中国大陆。因此，他还是主张最好不出兵，如果一定要出，就采取 出而不战 的方针，屯兵于朝鲜，待机行事。周恩来批评了这种看法，强调出兵援朝的决心已定，现在只是研究如何执行的问题。

10月8日，毛泽东发布了关于组成中国人民志愿军的命令，任命彭德怀为志愿军司令员兼政委，率第十三兵团及所属4个军和边防炮兵司令部及所属3个炮兵师，待命出动。后勤供应事宜，统由高岗调度。同日，毛泽东发电将这一决定通知金日成。这是毛泽东第二次作出派兵入朝的决定。

中国决定出兵朝鲜的确是有很大困难的，其中军事方面的问题主要在于中国军队装备落后，而且没有进行现代化战争必备的空军。毛泽东在10月2日的那封未发出的电报中就曾明确要求斯大林向中国提供大量的军事装备，包括坦克、重炮和其他轻重武器，及几千辆卡车，同时要求苏联在中国军队进入朝鲜作战时提供空军援助，可见毛泽东清醒地认识到武器装备对于军队的重要性。为了取得出战必胜的把握，也鉴于斯大林电报中说过 联手作战 ，中国决定派周恩来赴苏，与斯大林洽谈苏联出动空军支援和提供武器装备的问题。

然而，就是在出动空军的问题上，斯大林瞻前顾后，出尔反尔，以至中国在下决心出兵朝鲜的问题上再次出现波折。

周恩来是10月8日离开北京的，10日到达莫斯科，11日在布尔加宁陪同下乘专机飞到黑海之滨斯大林的休养地，当天下午举行双边会谈。会谈的内容主要有以下几点：（1）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，但早已声明苏军从朝鲜全部撤出，所以不能出现在战场，更不能同美国直接对抗。（2）斯大林劝中国出兵，如果中国出兵，苏联将供应武器和装备。（3）周恩来阐明中国出兵的困难：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。（4）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。

因莫斯科与北京时差五个小时，斯大林与周恩来的联名电报到北京时是12日子夜，再由苏联使馆送到中共中央办公厅转呈毛泽东，大约已是12日下午。毛泽东得知苏联已确定暂不出动空军的消息后，紧急发出两封电报，指示东北的彭德怀、高岗以及华东的饶漱石、陈毅： 10月9日命令暂不实行 ， 十三兵团各部仍就原地进行训练，不要出动 ， 宋时轮兵团亦仍在原地整训 。同时，请高岗和彭德怀赴京商谈。代总参谋长聂荣臻担心电报辗转延误时间，又于当晚7时许匆忙赶到军委作战部值班室，直接用电话找到正在安东察看渡口的彭德怀，告诉他情况有变化，回北京当面谈。

10月13日中午，彭德怀和高岗抵达北京。下午，毛泽东在颐年堂召开中央政治局紧急会议，对出兵和不出兵的利害关系再次展开讨论。彭德怀听说苏联不给予空军支援后十分生气，并表示要辞去志愿军司令。毛泽东再次掌握了会场，他说服彭德怀和其他与会者，虽然苏联空军在战争开始阶段不能进入朝鲜，但斯大林已答应对中国领土实行空中保护，并向中国提供大量军事装备。会议最后决定，即使暂时没有苏联空军的支援，在美军大举北进的情况下，不论有多大困难，也必须立即出兵援朝。随后，毛泽东与彭德怀、高岗详细研究了志愿军入朝后的作战方案。

会议结束后，毛泽东即给周恩来去电： 与政治局同志商量结果，一致认为我军还是出动到朝鲜为有利。 在谈到出兵的意义时，毛泽东在电报中指出： 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。