7月17日，柬埔寨政府召開最高國防會議和內閣會議，決定承認中華人民共和國。18日，西哈努克致函周恩來，提出兩國正式建立大使級外交關係的建議。次日，周恩來複函西哈努克，同意和柬埔寨建交並表示中國將盡力支持柬埔寨維護獨立主權、反對外來侵略的鬥爭。王幼平被任命為中國首任駐柬埔寨大使。在他去柬埔寨赴任之前。毛澤東對他說，不要在柬埔寨宣傳社會主義和共產主義。周恩來特別叮囑王幼平“一定要交好西哈努克這個朋友”。
美國官員對西哈努克同中國建交的決定極度惱火。美國駐柬埔寨大使卡爾·斯特羅姆（Carl W.Strom）於7月25日約見西哈努克，談柬埔寨承認中華人民共和國的問題。斯特羅姆抱怨，在過去兩年中，美國和柬埔寨之間一直存在著“尖銳的政策分歧”，西哈努克承認中華人民共和國的決定是一個“重大政策轉變”，它不僅將柬埔寨置於蘇聯和中國“新殖民主義”的威脅之下，還使柬埔寨的鄰居也處於共產主義顛覆的危險之下。東南亞條約組織的成員都批評柬埔寨，柬埔寨沒什麼朋友，是孤家寡人。斯特羅姆要西哈努克和南越搞好關係，西哈努克先為他的中國政策辯護，強調中國是柬埔寨旁邊的一個大國，是一個現實存在。在對待分裂國家的問題上，他過去兩年中一直采取不偏不倚，“一律看待”的立場，但這個政策並不成功。實際上，從萬隆會議以後，他就一直在考慮承認中華人民共和國的問題。在談到柬埔寨和南越關係的問題時，西哈努克說，盡管法國殖民時期劃定的柬越邊界對越南有利，但是越南人還不滿意，他們老是要蠶食柬埔寨領土。他告訴斯特羅姆，在柬埔寨人眼裏，越南人比中國人更危險。斯特羅姆對西哈努克的失望之情，溢於言表。
在和美國打交道的過程中，西哈努克越來越感到美國人的驕橫和美援條件的苛刻。在柬埔寨的美國外交官經常頤指氣使，美國大使甚至穿著短褲去和柬埔寨人會談。美國提供的經濟援助隻能用於私營企業，不能用於國營企業，而在柬埔寨經濟中，既有私營企業，又有國營企業。美國人規定，柬埔寨既然接受美國的軍事援助，就不應該再接受社會主義國家的軍事援助。
而中國領導人對柬埔寨卻一直很耐心和友善。1958年7月24日，周恩來在和柬埔寨駐華經濟代表團團長楊安討論中柬關係問題時說，中國非常了解和同情西哈努克親王處境的困難，所以盡量給予支持，希望幫助柬埔寨克服這些困難。親王對美國采取強硬的態度是適當的。在談到經濟援助問題時，周恩來說，中國在發展中，以後不僅在道義上，在物質上也可以多給幫助。現在我們正在發展工業，也希望別的國家發展工業，使亞非國家都強盛起來。我們願意把中國的建設經驗介紹給友好國家，願幫助它們用最新的技術、最低的成本、最少的勞動力、最快的速度來進行建設。
8月15-25日，西哈努克率柬埔寨王國國家代表團對中國進行第二次正式訪問，會見了毛澤東和周恩來。在周恩來的陪同下，西哈努克還去東北和天津訪問，並參觀中國第一座實驗性原子能反應堆和回旋加速器。訪問結束時，雙方簽署《周恩來總理和西哈努克首相聯合聲明》。聲明指出，雙方對中柬建交、發展經濟和文化關係、中國僑民和柬埔寨人民友好相處等表示滿意。聲明還強調，柬埔寨奉行的和平中立政策應該得到一切國家的尊重，民族獨立運動是當前時代不可抗拒的潮流，一切國際爭端應該根據和平共處原則通過和平談判求得解決。西哈努克後來在他的《回憶錄》中寫道，毛澤東很關心柬埔寨的國內情況，很關心柬埔寨同鄰國的關係，很想知道他對美國的亞洲政策的看法。西哈努克覺得，毛澤東是以平等的態度對待他的，不像有些西方國家領導人（除了戴高樂將軍）那樣傲慢。
西哈努克回到金邊後，和美國大使斯特羅姆談了他的中國之行。他告訴斯特羅姆，他在北京訪問時，中國方麵表示願意向柬埔寨提供軍事援助和進一步的經濟援助，但他隻接受了中國的進一步的經濟援助，而沒有要中國的軍事援助，因為他對目前從美國和法國那裏獲得的軍事援助感到滿意，他不能同時接受兩邊的軍事援助。他還對斯特羅姆說，柬埔寨的外交政策沒有改變。但斯特羅姆不相信他的話，反唇相譏地說：“柬埔寨宣布支持聯合國接納紅色中國就代表了一個政策變化。”