经过讨论，双方最后决定，放弃北朝鲜，让金日成及其政权和军队暂时退到中国东北。据此，双方分别通知了北京和平壤。
毛泽东决定：没有苏联空中掩护照样出兵，斯大林为此流下了眼泪
但是，在周恩来赴苏的当天，即10月8日，毛泽东还是下令组建了志愿军。他在给彭德怀、高岗等人的电报中称：为了援助朝鲜人民解放战争，反对美帝国主义及其走狗们，借以保卫朝鲜人民、中国人民及东方各国人民的利益，将东北边防军改为中国人民志愿军，“迅即向朝鲜出发，协同人民军向侵略者作战”。同时，毛泽东还任命彭德怀为志愿军司令员兼政委。
同一天，毛泽东电告倪志亮，将出兵朝鲜一事转告金日成。当天，彭德怀去了东北。9日，彭德怀和高岗在沈阳主持召开东北边防部队军以上干部会议，传达中共中央关于出兵朝鲜的决策。
直到这时，周恩来同斯大林会谈的结果仍不能令人满意。10月11日，斯大林还在坚持苏联空军将推迟出动。当周恩来和斯大林的联名电报送到毛泽东手中时，已是10月12日下午了。接到电报后，毛泽东紧急电令彭德怀、高岗，指示10月9日命令暂不执行，第十三兵团各部仍原地进行训练，不要出动，并要求高岗、彭德怀立即来京商谈。同时，毛泽东又给饶漱石、陈毅发去了内容大致相同的电报，要求宋时轮的九兵团原地整训，而且在“干部及民主人士中亦不要进行新的解释”。
10月13日中午，彭德怀、高岗奉命来到北京。下午，中共中央政治局召开会议，对出兵朝鲜一事再次进行讨论。毛泽东说服彭德怀和其他人，苏联空军虽然暂时不能进入朝鲜，但他们已经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。在毛泽东的坚持下，会议最后决定，在没有苏联空军掩护的情况下，在美军向朝鲜北部地区大举进攻的情况下，无论有多么大的困难，都必须立即出兵援助朝鲜。几乎就在同时，即莫斯科时间13日下午，斯大林也作出一项正式决定。他通知什特科夫，让他转告金日成，中国人已经决定不出兵，金日成最好把他的剩余部队从朝鲜撤到中国和苏联境内。第二天，什特科夫报告莫斯科说，他已经向金日成转达了斯大林的建议，金日成和朴宪永“感到惊讶”，并痛苦地表示：“他们将照此执行。”
师哲回忆说，在黑海同斯大林会谈结束回到莫斯科后，他到康一民的住处想看一看国内有什么新指示。他发现康一民正在抄一封电报，电文的第一句话是：你们走后，我们继续开会，政治局同志多数人主张出兵。
