毛澤東10月10日下午收到周恩來發自莫斯科的電報後，末曾料到的突然情況立即使他陷入焦慮之中，是馬上出兵還是暫緩出兵呢？當夜他又突然收到彭德懷自安東發來的準備11日晨入朝與金日成會談的電報，這兩份電報使他翻來覆去更感決心難定。經與代總長聶榮臻商談後，他決定立即給彭德懷發電，通知彭明天先不要入朝，而是和高崗一起迅速回京開會。這時已是深夜，聶榮臻考慮萬一明晨以前彭德懷收不到電報，彭就將入朝會見金日成了，於是聶榮臻於11日晨1時左右趕到總參謀部作戰室給彭德懷打電話稱：
你來電已收到。原定方案有變化！有變化！主席請你和高崗明天迅速回京，中央有要事討論。
10月11日下午，彭德懷奉命帶了指揮所負責人成普由安東乘火車於深夜抵達沈陽。12日，彭德懷在沈陽和高崗召集東北局和東北軍區的領導緊急開會，針對他在安東調查到的部隊存在的困難特別是後勤供應問題研究了一些緊急措施和解決方法。當晚8時，彭、高又接到毛澤東急電稱：
（1）10月9日命令暫不實行，十三兵團各部仍就原地進行訓練不要出動。
（2）請高崗、德懷二同誌明日來京一談。
13日早飯後，高崗、彭德懷即奉命乘專機由沈陽飛回北京，由聶榮臻代總長在北京飯店迎接後一起到三樓交談，聶說：下午要召開政治局會議，對出兵問題再次討論。
在彭德懷與高崗奉命回北京之前，以美軍為首的“聯合國軍”已全部越過“三八線”，並已做好了大舉進攻平壤的準備。10月9日麥克阿瑟以威逼口吻向朝鮮民主主義人民共和國領導人發出最後通諜，稱：“最後一次要求你和你指揮下的軍隊，立即放下武器並停止作戰。”10月10日下午4時，印度駐中國大使潘尼迦又到我國外交部轉交了英國外交大臣貝文致我國外交部部長周恩來的電報，稱：“如果北朝鮮不願放下武器，那麼‘聯合國軍’統帥將無他途可尋。”麵對敵人大軍壓境威脅恫嚇的情況，金日成首相於10月10日緊急召見我國駐朝鮮大使臨時代辦柴軍武同誌明確表示：“我們決不會放下武器，決不會投降，我們要抵抗到底。”11日金日成首相以誓死保衛祖國的決心向朝鮮全國發表廣播說：“今天我們最重要的任務是用鮮血保衛祖國的每一寸土地。”
10月13日下午，中共中央主席毛澤東再次在中南海頤年堂主持了中央政治局緊急會議，彭德懷在會議上彙報了三個問題：（1）與朝鮮代表樸一禹會談的內容。（2）當前侵朝“聯合國軍”兵力部署和動向。（3）誌願軍各部備戰情況和存在的亟待解決的問題。會議針對斯大林當美軍在仁川登陸後，對朝鮮戰場的形勢表現憂慮，對我國決定出兵援朝又顧慮重重，因而又取消了原定蘇聯出動空軍支援誌願軍作戰的協商方案等新情況進行了認真研究討論，對出兵和不出兵的利害關係反複考慮反複研究。因朝鮮戰場朝鮮人民軍情況危急，時間緊迫，不容猶豫，經徹夜會議後政治局同誌一致認為，即使沒有蘇聯空軍的支援，也必須立即出兵援朝。會議號召要自力更生，發揚我軍曆史上以劣勢裝備戰勝優勢裝備敵人的豐富經驗，克服各種困難，即刻入朝迎擊向北冒犯之敵。聶榮臻元帥在回憶毛澤東主席在政治局會議上對是否出兵援朝作戰時寫道：對於打不打的問題，毛澤東同誌也是左思右想，想了很久。毛澤東同誌對這件事確實是思之再三，煞費心血的，最後才下了決心。中共作出最後決定後，彭德懷為防止部隊對出兵援朝產生懷疑和鬆懈情緒，立刻在中南海給與他同機飛回北京正在軍委作戰部待命的成普打電話，讓他給誌願軍參謀長解方發出急電，要求誌願軍各部仍要繼續做好出國準備。就在13日政治局會議結束後的當晚，毛澤東給仍在莫斯科的周恩來拍發了火急電報，稱：
“與政治局的同誌商量結果，一致認為我軍還是出動到朝鮮為有利……我們采取上述積極政策，對中國、對朝鮮、對東方、對世界都極為有利。而我們不出兵，讓敵人再壓至鴨綠江邊，則對各方都不利，首先是對東北更不利，整個東北邊防軍將被吸住，南滿電力將被控製。總之，我們認為應當參戰必須參戰，參戰利益極大，不參戰損害極大。”