会谈结束后，斯大林同意与周恩来联名致电毛泽东，通报会谈情况。斯大林表示暂不出动空军掩护志愿军的态度，是以毛泽东为首的中共中央领导人所始料未及的。毛泽东收到联名电报后，不得不于12日电告已在沈阳的彭德怀和高岗：暂缓出动，来京一谈。
为不打扰斯大林休养并安排其他事宜，周恩来于12日暂时离开克里米亚飞返莫斯科。13日下午，毛泽东主持中央政治局会议，就最新情况进行讨论。讨论结果再次肯定出兵的必要性，决定即使没有苏联空军掩护，困难再大，也必须尽快出兵，援助朝鲜。会后，毛泽东电告尚在莫斯科的周恩来。
当晚，周恩来收到毛泽东22时的电报，并按毛泽东的要求转达苏联领导人。毛泽东在电文中指出，在苏联空军暂时不能出动的情况下，“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……我们认为应当参战，必须参战，参战利益极大，对中国，对朝鲜，对东方，对世界都极为有利。反之，不参战损害极大，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”。
毛泽东还在电文中指示周恩来在莫斯科再停留几天，并同斯大林确定：一是苏联援助中国军事装备能否用租借办法而不用钱买，以便中国政府明年财政预算能保持20亿美元用于经济文化等项建设及一般军政费用，则我军可以放心进入朝鲜进行长期战争。二是只要苏联能于两个月或两个半月内出动志愿空军帮助我们在朝鲜作战外，又能出动掩护空军到京、津、沈、沪、宁、青等，则我们也不怕整个的空袭。
接到指示后，周恩来立即于当夜约见在莫斯科的苏共中央政治局委员莫洛托夫，转告毛泽东来电内容，要求立即报告斯大林。
14日，斯大林复电周恩来，答应：苏联对提供给中国的军事装备将给以信用贷款，苏联将出动16个团的喷气式飞机掩护中国人民志愿军。
对于出兵援朝作战这样的大事来说，仅有苏联的这些援助是不够的。周恩来当日再电斯大林：苏联空军在出动16个团的喷气式飞机之后，可否继续出动轰炸机至朝鲜配合中国军队作战？苏联政府除派志愿军参加朝鲜作战外，可否加强一些掩护空军驻扎在中国近海各大城市？对苏联政府的援助，除飞机、坦克、火炮类及海军器材外，中国政府请求在汽车、重要工兵器材方面也给予信用订货的条件……
这天的电报频繁不断，周恩来先后收到毛泽东3时和21时30分的两封电报：一是告诉我志愿军出动后，拟在平壤至元山以北山岳地区组织防御，使美伪军有所顾虑，而停止继续前进。如此，则我军可以不打仗而争取时间装备训练，并等候苏联空军到来，然后再打。二是告诉我志愿军拟在10月19日出动以及整个部署情况。
周恩来又立即将这两封电报的内容通报给了斯大林。让他万万没有想到的是，就在中国盼望苏联空军援助的节骨眼上，斯大林突然改变了主意。斯大林委托莫洛托夫转告周恩来：苏联只派遣空军到鸭绿江北岸的中国境内驻防，两个月或两个半月后也不准备进入朝鲜境内掩护中国志愿军作战。
斯大林如此做法，让周恩来十分忧心：朝鲜山高林密、地形狭窄，受这种地理条件的限制，志愿军入朝作战将难以运用我国解放战争时期所采取的大踏步前进或后退的运动战，而不得不采取阵地战方式。入朝志愿军如果没有任何空中掩护，则等于让拥有绝对空中优势和大量大炮、坦克的美国侵略军肆无忌惮地轰炸和攻击。这是不可想象的。
斯大林仅仅从维护自身的利益去考虑，担心苏联出动空军入朝作战会把苏联卷入到这场战争中去。他显然是为了避免直接与美国对抗，也害怕急了眼的美国侵略者会使用原子弹。周恩来心中很不愉快，但他又不得不面对现实。10月16日，他带着对苏联方面的遗憾飞离莫斯科回国。
