蘇聯政府接受了赫魯曉夫的計劃，在7月3日和8日與勞爾卡斯特羅進行會談，最終達成了秘密協議。蘇聯決定在古巴布置中程導彈設施，並提供伊爾28噴氣轟炸機，整個計劃預計在7月開始實施。運往古巴的貨物，蘇聯決定采用船隻運送，並將幾十枚導彈與幾十架飛機拆開裝到集裝箱裏，運送到古巴。一同前去的還有3500名技術人員。每一枚導彈都帶著超過廣島20至30倍的核彈頭。直到9月2日，蘇聯才公開宣布，根據雙方的協議，蘇聯向古巴提供大量的武器和技術人員，而這兩項在古巴部署的核導彈已經完成，部署工作已然接近尾聲。
將導彈安置在美國的眼皮子底下，這一舉動由衷讓赫魯曉夫解了悶氣。這樣的事情也足以將當時的國際情況從東方轉移到西方。但他沒想到的是這時候卻突然了一個危機，並且嚴重威脅到蘇聯。同時，這也是赫魯曉夫給自己出了一個難題。美國五角大樓迅速製定了對策，以此為借口向弗羅裏達和接近古巴的美軍基地集結大量的軍隊。
1962年10月16日，美國總統肯尼迪在白宮迅速召開緊急會議，商討如何應對古巴導彈危機。其中，強硬派堅持以粉碎性的攻擊：派地麵部隊直接進攻古巴，具體做法是這樣的：先由空軍轟炸古巴主要的設施基地，然後派遣海軍陸戰隊將核彈與卡斯特羅政權一舉消滅。然後再發動500架飛機對古巴進行地毯式的轟炸，破壞其核設施。
10月22日，肯尼迪嚴厲警告赫魯曉夫，一旦古巴向美國發射任何導彈，美國都會當成這是蘇聯發出的公然挑釁，對此，美國一定會竭盡全力對蘇聯進行報複，將闖進美國海域的任何船隻都擊沉。就在這個時候，五角大樓的人員告訴肯尼迪說，蘇聯和古巴的飛機就像珍珠港被襲之前一樣此時正安靜的排列在場地上，等待著一陣狂轟亂炸。肯尼迪立即命令泰勒將軍派U-2飛機對佛羅裏達各美國空軍基地進行高空攝影，“要是咱們也那樣，我想一定會非常有趣。”其實，美國的飛機當時真的是那樣排列在場地上，空軍部在聽了總統的話後，迅速下令將這些飛機疏散。大約過了13個鍾頭，莫斯科一帶很久都沒有任何反應，很快，美國駐蘇聯大使意外的收到了蘇聯的照會書：內容是指責美國的強盜行為，裏麵承認設在古巴的導彈主要是用於軍事目的。從這份照會書中，肯尼迪看出了蘇聯目前的心境，他尚且不知道該如何是好，也就是說赫魯曉夫還在猶豫不決，有可能是故意拖延時間，好讓自己思考對策。
此時已經是劍拔弩張，核戰爭已經迫在眉睫，似乎這種緊張的局勢比任何時候都要嚴重。然而，這時候情況卻又發生了轉機，下午6點鍾，赫魯曉夫的一封感情激動的長信通過美國駐莫斯科大使館與美國國務院之間的專線電傳打字機開始傳送過來。蘇聯總理首次承認在古巴有俄國導彈，他承諾隻要肯尼迪總統不進攻古巴，蘇聯就立即撤走古巴的所有軍事設施與人員，不再向古巴提供任何武器。
由於赫魯曉夫之前並沒有告知卡斯特羅這件事情，卡斯特羅由此認為自己被騙，所以沒有理睬。雖然，他還可以拖延時間，但卻並不能接觸古巴麵臨的危機。導彈盡管是布置在古巴的土地上，卻被俄國人掌握著，而且也沒有一個古巴專家知道如何發射導彈。下午1點3O分，三軍參謀長向特遣136艦隊發出信號：不要再上別國的船，也不要再顯示武力。執委會感到心花怒放，但總統卻說這一次，赫魯曉夫的退讓十分艱難，並且告訴人們，不要認為美國贏得了勝利。古巴導彈危機到此為止，但並沒有撤掉古巴上空麵臨的危機。
蘇聯因為實力不足隻好向美國政府屈服，讓步三分。但是，蘇聯也達到了自己的目的，那就是利用撤離古巴導彈的機會讓美國撤兵古巴，並在核試驗的禁止的事情上雙方達成了默契。1963年5月，美蘇簽訂在兩國首腦之間建立“熱線”的協議。7月，美蘇拉英國一起簽訂了維持核霸權的“部分禁止核試驗條約”。兩個超級大國的公開勾結與繼續爭奪，給整個國際關係格局帶來了重大影響，使得兩大陣營迅速瓦解。中蘇關係正式破裂。法國公開反抗美國的霸權地位。第三世界國家組織“七十七國集團”，最終結成“不結盟運動”，維護民族利益，反對世界殖民霸權的惡行，從而將世界從兩極化轉變到多極化。