自10月1日夜，麥克阿瑟命令南朝鮮李承晚軍隊陸軍第三師首先越過“三八線”後，到10月9日美國及英、加、土等軍也全部先後越過“三八線”。鑒於朝鮮戰場的局勢嚴重，彭德懷心急火燎，他為了進一步了解敵我雙方情況，掌握第一手材料，決定親赴鴨綠江沿線，勘察地形，了解敵我態勢。在9日軍以上幹部會議結束後，傍晚即乘火車由沈陽赴安東（丹東），他在沈陽的兩天裏，幾乎是通宵達旦地召開會議，聽取彙報，研究出國作戰方案和後方供應等問題。每天幾乎工作20個小時，連吃飯時也談工作，其緊張程度可想而知。10月9日夜從沈陽赴安東的乘車途中，彭德懷仍不肯睡覺，他一邊啃饅頭幹，一邊在列車上召集丁甘如、成普等人開會，研究組織他的指揮所。他說：“在沈陽兩天太緊張，現在抓緊時間算算人頭賬，把從北京和沈陽調來的同誌們分分工。”就這樣，中國人民誌願軍彭德懷司令員指揮機構，就在火車上組成了。10日淩晨火車抵達燈火管製中的安東，聯防軍司令部將彭德懷一行接到鎮江山招待所，彭德懷吃過早飯後不顧連日的疲勞，親往鴨綠江邊察看渡江地點，了解戰備情況。此時侵朝“聯合國軍”和南朝鮮軍隊40餘萬人的總兵力中，第一線兵力即有4個軍共10個師另1個旅1個空降團共約十幾萬人，正分兵多路向中朝邊境瘋狂進犯。鑒於這一情況，為使誌願軍在地麵兵力上占絕對優勢，以達初戰獲勝之目的，彭德懷於10月10日急電請示毛澤東，稱：“原擬先出動兩個軍兩個炮師，恐鴨綠江鐵橋被炸毀時，不易集中優勢兵力，失去戰機，故決定將4個軍3個炮師全部集結江南待機殲敵，故改變原定計劃，妥否盼示。”此外，彭德懷還深感8日他在沈陽與樸一禹的匆匆會談，內容不夠詳細具體，於是當晚20時他再次急電請示毛澤東，稱：“還有不少具體問題，須與金日成同誌麵商解決，擬明（11日）晨經安東前往德川。特報。”但彭德懷的電報剛發到北京，情況卻又發生了突然變化。10月10日毛澤東也收到了周恩來發自莫斯科的急電，稱：“斯大林答複蘇聯空軍目前尚未準備好，暫時無法支援中國誌願軍作戰，請中央對出兵問題再作考慮。”關於出兵援朝問題，本來中蘇雙方早已商定：地麵兵力由中國負責，空軍掩護支援由蘇聯負責。因此當中共中央於10月2日決定出兵援朝後，毛澤東於當日深夜即將決定電告斯大林，以使蘇聯空軍作出準備。10月8日就在彭德懷、高崗飛往沈陽籌劃組織誌願軍出國作戰時，周恩來也於10月8日飛往莫斯科會見斯大林，督促蘇聯空軍立即準備出動。
同一天毛澤東還致電中國駐朝大使倪誌亮轉告金日成：中國已決定立即出兵援朝。但是當8日晚周恩來飛抵莫斯科後，被告知斯大林正在蘇聯南方黑海之濱克裏米亞附近的阿布哈季亞別墅休假。9日上午周恩來和翻譯師哲在蘇聯元帥布爾加寧的陪同下，乘蘇聯政府專機飛抵克裏米亞，然後乘汽車前往克裏米亞以東的阿布哈季亞，當晚7時與斯大林開始會談。蘇方參加會談的有馬林科夫、卡岡諾維奇、貝利亞、米高揚、布爾加寧和莫洛托夫。會談主要協商在中國誌願軍入朝時，蘇聯能出動多少戰鬥機和轟炸飛機支援中國援朝誌願軍，並由誰擔任指揮，以及中國地麵部隊更換蘇聯武器裝備等問題。但是出乎預料的是斯大林根據朝鮮戰爭10月2日以後的事態發展，美軍竟不顧蘇聯可能作出的反應越過“三八線”北進，斯大林判斷美國已不惜代價和風險，決心向鴨綠江邊中蘇邊境進攻。因此斯大林擔心如蘇聯空軍在中、蘇、朝邊境與美國飛機和地麵部隊作戰，可能會引起蘇美之間的直接軍事衝突，有誘發第三次世界大戰的危險。所以，斯大林從出動空軍支援中國誌願軍作戰的立場上猶豫後退了。他在與周恩來的談判中，明確表示，蘇聯可以先給中國20個師的武器裝備並盡快運到滿洲裏，但是蘇聯空軍目前尚未準備好，暫時無法出動。其實，空軍和陸軍不同，飛機調動轉場不過三兩天就可準備完畢，而當時還有10天準備時間，完全可以做好一切準備工作，斯大林的態度，不過是猶豫推諉之意。中蘇這次高級會談直到次日淩晨5時才結束，中方代表周恩來對這一突然變化大吃一驚，立刻感到事關全局，於是他在蘇外長莫洛托夫陪同下，趕緊於10月10日飛回莫斯科，在中國大使館將蘇聯空軍暫時不能出動情況迅速電告毛澤東。