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也就在中蘇開始接觸後第三天，即6月15日，美國駐華大使赫爾利正式送來了美國總統杜魯門的極機密備忘錄，即《關於中國國民政府和蘇聯協定綱要的說明》，並附有雅爾塔密約全文。杜魯門的備忘錄主要內容是：“1.斯大林盡全力促進由蔣主席領導的中國統一。2.戰事結束後，中國應由蔣主席繼續領導。3.斯大林期待中國達成統一、安定，希望滿洲為統一中國的一部分。4.對於中國便於在滿洲組織行政組織，歡迎蔣主席的代表和蘇聯軍隊同行進入滿洲。5.斯大林同意美國對於中國所提倡的門戶開放主義。6.斯大林同意朝鮮由中、美、英、蘇四國托管。”備忘錄最後還說：“美國依據這個外交文書，認為是斯大林對於中國沒有存絲毫野心的‘背書保證’。”由於美國人說了話，特別是美國總統所表明的態度，在中國毫無所知的情況下由美蘇大國擬定的密約，現在竟變成中國非締不可的“協定綱要”。在美國人的意旨下，蔣介石不得不在6月27日派行政院長宋子文和他的兒子蔣經國，率中國政府代表團赴蘇聯莫斯科談判。從7月2日至12日，宋子文等同斯大林等舉行第一次會議曾經六次晤談。此時，宋子文才知道蘇聯還要外蒙古。宋子文對斯大林說：“任何中國政府不能割棄領土而存在。”斯大林回答你可先立密約，“待日本投降後再行公決。”宋則以“事逾訓令範圍”，要請示蔣介石作為緩兵之計。但宋久候訓令不至，乃讓蔣經國與斯大林做會外洽談，終於探明斯大林的真意。宋子文於7月7日會談時辯稱：原來（雅爾塔）協定僅維持外蒙現狀，並無獨立之說；但斯大林說外蒙已是“人民共和國”，現狀即獨立。宋以高度自治對，斯氏不允，並說外蒙古獨立若不解決，中蘇同盟條約無從討論。很顯然，斯大林的強硬態度，明告宋子文你不賣國，一切就莫談了。
可蔣介石在斯大林的強硬態度下軟了下來，他召集高級幕僚商議後，發出如下訓令：
一、外蒙獨立問題，須待我國國內真正統一，領土主權真正無缺，行政真正完整，始能考慮。
二、蘇俄如能保證東三省領土主權之完整，不支持中共之割據，不鼓勵新疆之叛亂。
三、中國政府願自動提外蒙古獨立案經外蒙公民投票許其獨立，但此宜俟抗日勝利後，始能辦理。
四、大連應為自由港，旅順應做中蘇共同軍港，鐵路幹線應由中蘇共營，但管理權仍在中國。
這個訓令實際上答應了外蒙古獨立，隻是爭取一點出賣的交換條件，那就是“保證東三省領土主權之完整，不支持中共之割據”。這說明蔣介石出賣外蒙古，較雅爾塔密約的出賣實際更多更明顯，因雅爾塔密約是所謂“維持現狀”，照羅斯福的解釋，中國對外蒙古仍擁有宗主權，現在“願自動提出外蒙獨立案經外蒙公民投票許其獨立”則連宗主權也沒有了，“公民投票”就是冠冕堂皇的擺設了。盡管雙方在某些問題上獲得了妥協，但對簽訂中蘇友好同盟條約尚無結果。由於斯大林出席波茨坦美英蘇首腦會議，中蘇談判中止。
美國在促使蘇聯與中國談判並即將對日宣戰的時候，又從情報機關截獲日本也要求結束戰爭的消息，便考慮到：如果由蘇聯擊敗日本，必將導致蘇聯在亞洲的勢力進一步擴大，在歐洲發生的事情將會在亞洲重演，這無疑對美國是極大的威脅。所以，美國政府為了確保在亞洲的優勢，決定無論如何也要搶先在蘇聯軍隊參戰的8月8日之前，盡快使用原子彈，用美國的武力迫使日本投降。於是8月6日，美國在日本廣島投下第一顆原子彈，殺傷近20萬日本人民，震驚了日本，也促使蘇聯未等中蘇談判結束，於8月8日對日宣戰。美國本預定在8月11日向日本長崎投下第二顆原子彈，由於蘇聯對日宣戰並於9日出兵，於是就提前在9日。這一天，百萬蘇軍在華西列夫斯基元帥指揮下，進入中國東北，對日本關東軍發動強大攻勢。
中蘇談判的第二次會議也於8月8日舉行，在蘇軍已進入中國東北的情勢下，10日，斯大林警告中國談判代表宋子文：中國政府最好盡快同意達成協議，否則，中國共產黨就要進入東北了。此時，中蘇談判中的難點有三個問題：一是外蒙古境界線，中國主張事前在地圖上確定，蘇方要求維持現狀；三是南滿鐵路局局長人選，雙方都主張用本國人；三是旅順問題，中國主張組織中蘇軍事委員會，共同使用，蘇聯反對。當時中國代表鑒於蘇軍已進東北，在打敗日本之後如果這些部隊不撤走，怕蘇軍將東北地區交給了中共，認為簽訂一個中蘇友好同盟條約，可能有對蘇交涉的依據，好作為遏阻蘇聯的防波堤；再者中蘇會談是美國促成的，如鬧成僵局，恐將波及中美關係事情就大了，為了能和在雅爾塔密約上簽字的美英保持協調，也是牽製蘇聯的一個條件。基於上述考慮，中國國民黨政府不得不委屈於雅爾塔密約所造成的國際情勢之前。
然而，宋子文是個聰明人，要出賣國家主權，更要出賣外蒙古，他不願做第二個李鴻章，所以就辭去外交部部長職務，而讓蔣介石的家奴家臣王世傑任外交部部長，來擔當這個罵名。於是王世傑在莫斯科於8月14日同蘇聯外長莫洛托夫簽訂了《中蘇友好同盟條約》，同時簽訂的還有：《中蘇關於中國長春鐵路之協定》、《中蘇關於大連之協定》、《中蘇關於旅順口之協定》等文件。