劉亞樓一行經哈爾濱、滿洲裏，抵達蘇聯境內的赤塔市，在這裏換乘一架運輸機，飛往莫斯科。從赤塔到莫斯科的航程有5100多公裏，途中在新西伯利亞、斯維爾德洛夫斯克各住一夜。這是劉亞樓第一次乘坐飛機，由於身體不適，又因夏季氣流不穩，飛機上下顛簸，他在空中嘔吐得很厲害。每天一上飛機，先吐食物，後吐黃水，苦不堪言。王弼、翟雲英也經常嘔吐。當過飛行員的呂黎平便忙前跑後，當起了空中“衛生員”，他同劉亞樓開玩笑說：“你是將來的空軍司令，可不能帶頭嘔吐呀！”劉亞樓苦笑著說：“看來這個空軍司令真還不好當啊！”說完，又趴在簡易沙發床邊，“哇哇”地吐。終於苦苦地熬過了3天的折磨，劉亞樓一行於11日下午飛抵莫斯科，下榻於莫斯科郊外的一座療養院。
第二天上午，劉亞樓的身體還未恢複，走路還有些頭重腳輕，就帶著王弼、呂黎平來到莫斯科城內中共中央代表團團長住處，見到了劉少奇和王稼祥，將臨行前毛澤東主席的指示和擬定的建立空軍的初步方案向他們作了彙報。
劉少奇聽後，表示同意，隨後介紹了他同斯大林等蘇聯領導人商談的情況，並說：“要盡快同蘇聯武裝力量部部長華西列夫斯基元帥聯係，約定會談時間，原則商定之後，我就要回國了。王稼祥同誌在莫斯科負責籌建中國大使館，就緒後亦要回國。中央已經決定，9月要舉行政治協商會議，討論通過建國的各項重大問題；10月1日，要舉行開國大典，成立中央人民政府。我要回北平參加這個會議和開國慶典。”
說到這裏，劉少奇又關切地問：“你們有沒有帶外彙呀？”當聽說沒帶，他便指示隨行人員留下1萬盧布，作為劉亞樓一行在蘇聯期間的活動費用。
8月13日，劉亞樓、王弼和呂黎平隨劉少奇、王稼祥來到蘇聯武裝力量部辦公大樓，受到華西列夫斯基元帥的熱情迎接。
蘇方參加會談的還有空軍總司令維爾希寧元帥，主管訓練的空軍副司令和空軍訓練部部長。
雙方很客氣地寒暄幾句之後，華西列夫斯基元帥說：“我們已得到斯大林大元帥的指示，由蘇聯援助中國建立空軍，中國方麵的設想和意見可以先談談。”
劉少奇說：“好。我們黨中央已經決定劉亞樓同誌出任空軍司令員，現在就由他先談談吧。”
劉亞樓用俄語首先介紹了我們現有的飛行員、機務人員及其他勤務保障人員數量和飛機數量，飛行員的訓練情況和技術狀況。還介紹了所掌握的國民黨空軍的主要情況。接著，詳細談了組建空軍的設想和意見。他說：“無論從渡海作戰、解放台灣的直接需要出發，還是從鞏固國防戰略考慮，中國都需要建立一支有戰鬥力的空軍，希望蘇聯援助我們，在1年之內建立一支由300—350架飛機組成的空軍戰鬥部隊。以上就是我們組建空軍的初步意見，請蘇聯同誌幫助我們擬出一個開辦航校、聘請專家、購買飛機和相應設備的具體方案來，以便共同商定。”
維爾希寧元帥問：“你們對殲擊機、轟炸機比例如何計劃？哪裏機場最多、最便於飛行訓練？”
呂黎平回答說：“殲、轟比例是否以2∶1較為合適？現在，哈爾濱、長春、沈陽、錦州、天津、北平、濟南都有可用於訓練的機場，各方麵條件都比較好。”
劉少奇說：“方才他們所談意見，事先報告了毛澤東同誌和黨中央，因而這也就是我們黨中央的空軍建軍方案。請元帥同誌據此意見擬出具體援助計劃。”
華西列夫斯基元帥點了點頭，說：“聽了中國同誌的方案，我們有了初步依據。為使援助計劃搞得更細一些，建議劉亞樓同誌和維爾希寧空軍元帥再進行一次詳細的會談。草簽一份協議，我們報請斯大林同誌批準。劉少奇同誌，您對會談程序有何意見？”
劉少奇回答說：“我同意，元帥同誌。我近日將要回國，今後會談的問題就由劉亞樓同誌全權代表了。”
14日，劉亞樓、王弼和呂黎平到蘇聯空軍總部進行第二次會談。蘇方參加會議的人員，除空軍總司令維爾希寧元帥外，還有上將副司令、中將訓練部長和兩名校級軍官。蘇方又詳細詢問了我方的現有條件等情況。劉亞樓他們則了解了蘇聯空軍總部的機構設置，航校的體製編製，訓練年限、課目、時間，教練機與戰鬥機種類，飛機維護的主要規程，機場的保障機構與人員編製等。蘇方除了噴氣式飛機性能和某些屬於作戰指揮的機密內容外，對其他所詢問的內容都作了詳細的介紹。
最後，維爾希寧元帥說：“好，情況就是這樣了，雙方心裏都有了數。你們的要求可以得到滿足，所提方案可以實現。具體援助計劃我們3天之內提出來，到時再請你們來這裏商談。”
自從北平啟程，一路顛簸，到莫斯科緊接著兩天緊張的會談，使劉亞樓感到有些疲憊，便決定好好休息3天，靜候下次會談。
18日，劉亞樓他們與維爾希寧元帥舉行第三次會談。維爾希寧元帥提出了一個比較具體的援助計劃，與劉亞樓3人商談，主要內容是：由蘇聯幫助中國建立6所航校（2所轟炸機航校、4所殲擊機航校）及1所飛機修理總廠，賣給中國各型飛機434架，派出專家878名來華協助工作。