在抗美援朝战争中，面对着世界军事现代化第一的美国军队，中国志愿军的武器装备确实是一个大问题－－他们使用的仍是解放战争时期缴获的旧杂式武器装备，仅枪械和火炮就产自２４个国家的９８家工厂，１１０种型号，口径杂乱，所用弹药多达２７４种，且数量不多，战争中大量弹药的消耗使供应尤其不足。毛泽东一直在为志愿军的武器装备担忧，他想到了徐向前。
１９５１年春，抗美援朝战争进入高潮。这时，随着身体的恢复，徐向前回到北京。
５月初的一个夜晚，徐向前正和夫人黄杰在庭院里散步，中央办公厅来电话通知，毛主席约见徐帅。徐向前争忙驱车前往中南海丰泽园。
毛泽东正在办公室和统战部长李维汉谈工作，见到徐帅到来，马上中断谈话，迎到客厅门口，一边握手，一边指着沙发请徐向前坐下，亲切问道：“近来身体好些吗？我看气色比上一回好些喽！”徐帅回答：“天气一暖和，就好多了，我感到可以工作啦。”
毛泽东听了很高兴，先向徐帅介绍了朝鲜的战场形势。
这时，毛泽东点将徐向前，率“中华人民共和国中央人民政府兵工代表团”前往苏联，洽谈对志愿军的武器援助问题。代表团的任务：一是购买苏联武器装备，二是多搞点技术项目，发展的兵工生产。
毛泽东最后说：“这次去谈判，代表团去哪些人，谈判哪些具体项目，还有什么困难，可同政务院及彭德商量，彭德怀从朝鲜回来治病，对外保密，你要去听听他的意见。”
徐向前说：“请主席尽管放心，交给我的任务，一定努力完成。”
经政务院和中央军委批准，代表团由徐向前任团长，成员有空军副司令王秉璋、重工业部副部长刘鼎科、炮兵参谋长贾陶等８人，另外还有３名工作人员。代表团主要任务有两项，一是购买６０个师的武器装备；二是请求苏联援助我国兵工厂的建设，统一步兵武器制式和生产１５２毫米口径以下各种火炮的技术转让问题，双方商定此次谈判是秘密的，对外不公开。
徐向前率代表团于５月２５日由北京乘火车出发，陪同代表团出访的有苏联驻华使馆武官、军事总顾问柯道夫中将及夫人，列车横贯亚欧，于６月４日抵莫斯科。苏军总参谋长什捷缅科大将等人到车站迎接。
在徐向前下榻宾馆的会客厅，两位总长就谈判事宜交换了初步意见。徐向前向他说明了来苏联谈判的主要任务，希望苏方大力协助，以便早日达成协议。什捷顷科再次表示，对中国代表团的到来致以最诚挚、最友好的兄弟般的欢迎。他对徐向前说：“我奉斯大林的指示，也组成了８人的谈判代表团。具体项目可由双方代表团的专家人磋商。高一级的谈判放在后面进行。
徐向前初次出访，没有外交工作经验，但他懂得“客随主便”之礼仪，认为朝鲜战场打得这样激烈，中国人民为了应尽的无产阶级国际主义义务，不惜作出这么大的流血牺牲，从道理说，请“老大哥”支援一点武器装备和技术，不会有什么困难，故表示同意什捷缅科的安排。没想到，谈判竟相当艰难，长达５个月之久……
苏联向志愿军提供的军火，从一支枪、一粒子弹，到飞机上的每一个副油箱，都是要中国付钱的。这还不说，苏联在供应先进的米格－－１５飞机时，乘机把他们退役换装的一批米格－９式飞机也推销给中国，米格－９性能落后，航程短，作战半么径小，油耗大，无法投入战斗，志愿军对此意见很大，后经中方反复提出更换，苏方才同意再给３７２架米格－１５，不另外加价收钱。如在苏联供应的陆军武器中，苏式冲锋枪、重机枪、３７高射炮、７６２野炮均很实用，但也有很多是第二次世界大战中用过的旧品，他们也要推销给中国，战士们对１８９１／３０式步枪很不欢迎，感到还不如国产的步枪好用。
直到１０月初，徐向前和什捷缅科的谈判才见头绪。
什捷缅科说：斯大林给苏军总参谋部的任务，就是要帮助中国把军队建设好，这个任务主要由我负责请徐总长放心，一定会办好。军队编制要适应战争的需要，搞得合理才能在战争中发挥重要作用。根据我们卫国战争的经验，健全后勤组织及编制步兵、炮兵、坦克、骑兵师是十分必要的。
当徐向前问及军事订货时，什捷缅科回答：我们的运输能力有限，今年保能给你们发运１６个师的装备，其４４个师按每年运送三分之一计算，至１９５４年完成。徐向前提及援建兵工厂时，几次谈判什捷缅科都以外交辞令回避，毫无进展。
徐向前陆续将谈判情况通过中国驻苏联大使馆电告党中央和中央军委，并提出如下建议：
第一，能否参照苏对我军步兵师的编制意见，初步确定我们的编制方案，以便盘考虑购置装备的问题。
第二，今年１６个师的装备订货，可否根据朝鲜战场的急需，多订些高射武器、战防武器，步兵武器则不订或少订。
第二，明后年的订货项目应视兵工厂的谈判结果而定，原则上我们能生产者不订货，生产不足者根据需要少订货，不能生产又急需者全部订货。
根据徐向前的建议，６月下旬，毛泽东主席又派高岗来到莫斯科，带来了６０个师的装备订货单，由徐向前转交什捷缅科。因朝鲜战场急需的作战物资品种繁多，数量甚大，在徐向前没去苏联前，往往是毛泽东直接致电斯大林来解决这个问题。现在，由徐向前出面交涉，弄得苏方颇为头疼。
１０月的一天，布尔加宁在莫斯科同时会见金日成、高岗和徐向前，他对三位客人说，苏联卫国战争结束只有５年多，一寺忙于恢复经济建设，对于中朝两国的抗美斗争，我们是愿意提供援助的，可以援助的，一定会援助。徐向前听得出，他讲话的意思是说苏方的援助是有困难的，不能满足中朝方面的全部要求，希望谅解。不久，苏方通知徐向前，原定今年提供的１６个师的装备订货，减为１０个师，其余５０个师的装备订货，从１９５２年１月起，每月发运１个半师，到１９５４年上半年，全部发往中国。徐向前和高岗出面去找布尔加宁，要求仍维持原计划不变，但没能如愿。
１０月中旬，什捷缅科终于答复徐向前，同意转让几种兵工生产的技术资料，帮助中国建设一些军工工厂。于是，双方签定了《关于中国工厂获得制造苏联式枪炮、弹药特许权和交付苏式枪炮、弹药样品、生产技术资料及必要时派遣苏联专家给予技术援助的协定》。协定规定的武器为１５２毫米加榴炮以下的陆军通用武器，较先进的重型武器仍未达成协议。
尽管如此，在抗美援朝战争中，苏联的武器援助确实起到了重要作用。
在这场战争中，徐向前功不可没。
