从9月14日到18日，斯大林不断接到战报：美国军队在仁川登陆，朝鲜局势发生重大变化。根据苏联总参谋部的报告，9月13日美军便开始在仁川地区进行小规模侦察性登陆作战，但前线战局尚未发生重大变化。9月15日，美军集中了约150艘舰船，在舰载炮火和飞机的掩护下开始在仁川地区实施登陆，主力是美国第10军。人民军只有一个海军陆战团和两个边防营进行防守，由于道路和通讯中断，零星调往仁川和汉城地区的部队情况不明。美军登陆成功后，一路向汉城进击，人民军的防线已被突破。与此同时，南部战线的美韩联军开始猛烈反击，并取得成功。9月17日，美军登陆部队已强渡汉江，汉城郊区正在激战。由于美国空军的狂轰滥炸，从中国边境至前线的所有铁路和桥梁均受到攻击，交通已经陷入瘫痪。[47]
对于朝鲜局势的突然变化，中国领导人立即做出了反应。9月18日，周恩来召见了罗申和军事顾问科托夫、孔诺夫。周恩来不满地指出，朝鲜很少在军事问题上向中国提供情报，中国曾尝试派一些军事技术干部去朝鲜观察战场形势，可是至今没有收到平壤的任何答复。中国人根本不知道朝鲜人民军的作战计划，也不了解战场的真实情况。根据官方公布的消息，周恩来建议，如果朝鲜缺少足够的预备队（10万人），就应该将主力北撤，以建立起突击集团，等待决战时使用。周恩来还以毛泽东的名义请求苏联政府提供更为准确的情报。最后，周恩来不无用意地指出，由于没有做长时间、大规模战争的准备，现在西方国家非常担心苏联和中国可能参与朝鲜的军事冲突。“应当利用这种恐惧心理采取能证明我们意图的步骤。从这方面讲，中国军队由南方向东北调动，足以使英美政府感到不安。”周恩来请求把这些意见尽快通知苏联政府并给予答复。[48]20日莫斯科答复，朝鲜没有及时提供军事情报是不对的，但原因在于他们年轻，没有经验。至于中国对朝鲜作战的建议，苏联同意立即将人民军主力北撤，建立起汉城防线。但是，对于周恩来提出的中国出兵的问题，斯大林没有任何回应。[49]周恩来只好建议金日成集中兵力确保三八线，“坚持自力更生，长期奋斗的总方针”。[50]9月21日，刘少奇再次向罗申表示，中国领导人认为，“中国革命还没有结束”，如果美国在朝鲜占了上风，“中国有义务帮助朝鲜同志”。[51]
在向莫斯科提出援朝问题的同时，周恩来也询问了朝鲜的意见。9月19日，周恩来召见朝鲜驻华大使李周渊，向他讲述了前一天与罗申谈话的同样内容，并进一步问，在美国仁川登陆以后，“朝鲜政府下一步对中国政府有什么要求”。李周渊当天便电告了金日成的原话：“朝鲜人民准备长期战斗”。此外就没有任何来自朝鲜的消息。[52]20日金日成向苏联大使汇报了周恩来谈话的内容，并解释说，中朝之间有过一个约定，即如果敌人在后方登陆，中国人将用自己的军队来帮助朝鲜。接着金日成问什特科夫，应如何答复中国人。在苏联大使一句“无可奉告”的外交辞令后，金日成立即说，中国军队很优秀，有作战经验，但在大量美国飞机不间断地狂轰滥炸的环境下，他们将会有何表现也很难说。在场的朝鲜人都随声附和说，“如果让中国军队到朝鲜参战，而没有空军为其提供空中掩护，那么，战斗依然会相当艰难”。朝鲜外务相朴宪永则明确表示“希望能让中国参与在朝鲜的战争”。因为没有得到莫斯科的指示，什特科夫“对这一问题避而未答”。[53]
9月21日，朝鲜劳动党政治局召开会议，讨论如何答复周恩来的提议。朴宪永、金枓奉（最高人民议会议长）和朴一禹（内务相）都认为，朝鲜明显无法凭借自身的力量打败美国人，因而必须请求中国政府派军队进入朝鲜。但金日成发言说：“我们曾经认为，我们人多，完全可以用自己的力量作好所有的事情。我们所要求的武器，苏联都给我们了，我们凭什么去向中国人求助呢？”他相信，“苏联和中国是不会允许美国人完全占领朝鲜的”。最后，金日成建议“暂且不要通过关于请求中国政府提供援助的决议，而是先给斯大林同志写封信，就是否请求中国军队援助的问题咨询一下他的意见”。金日成强调，“如果不请示苏联就擅自请求中国军队帮助，苏联就可能抱怨说，难道我们用顾问和武器来援助朝鲜还不够吗？”他还说，如果朝鲜加速组建一支新部队，就不必求助中国人了。会议讨论的结果是没有通过任何决议。[54]金日成现在完全是看斯大林的脸色行事，而斯大林这时实际上已经考虑到中国出兵的问题。[55]只是不到最后关头，即敌军没有突破三八线，斯大林是尽量不让中国参战的。9月26日斯大林派往朝鲜的军事代表请示，运到朝鲜的3400辆汽车没有足够的司机，为了解决运输问题，“可否建议金日成请求中国朋友向朝鲜派遣1500名以上的司机？”4天以后斯大林才答复：“你们可以这样向金日成建议，只是不要说：这是莫斯科的意思。”[56]事情真的到了最危急的关头。
在仁川登陆后不久，斯大林本来产生过出动苏联空军保护平壤的念头。根据斯大林的指示，华西列夫斯基于9月21日报告说，可以派遣第147航空师第84团的40架雅克9型飞机前往保护平壤，航空团两天便可抵达，但全面做好战斗准备需要8～10天。[57]两天后，华西列夫斯基又报告，决定改派第32歼击机航空师第304团前往，“10月3日该团可以开始执行保卫平壤的战斗任务”。但是，华西列夫斯基最后报告说：“第一次空战后，我国飞行员保卫平壤的战斗就会被美国人发现，因为空战的一切指挥将用俄语通过无线电话进行。”[58]或许是军事部长的这番话提醒了斯大林，或许是急剧变化的朝鲜局势迫使斯大林重新考虑了对策，总之，到了危急关头，苏联战斗机并没有出现在平壤上空。
9月30日，莫斯科收到什特科夫的报告：汉城可能已经陷落，人民军主力部队北撤的道路也被切断，并失去了联系。金日成担心敌军会越过三八线，而朝鲜已无法组建新的部队进行有效抵抗了。政治局讨论并通过了给斯大林的信，要求苏联提供空军援助，同时也起草了给毛泽东的信，信中有求援的暗示。他们现在感到恐慌和缺乏信心，不知如何是好。[59]同日夜晚，金日成来了求援信，恳求斯大林给予“直接军事援助”，如果不行，就“请帮助我们在中国和其他人民民主国家建立国际志愿部队”。[60]面对如此紧急的情况，莫斯科终于为中国军队开放了绿灯。10月1日斯大林致电毛泽东：“我正在远离莫斯科的地方休假，对朝鲜局势不甚了解。但是，从今天莫斯科给我的报告中，我得知朝鲜同志陷入了困境。”在通报了朝鲜的危险局势，即朝鲜已经没有任何抵抗部队、通往三八线的道路没有任何设防后，斯大林要求中国军队以志愿军的方式入朝参战，在三八线以北地区组织防御。或许是考虑到此前莫斯科对中国出兵问题的种种反应，斯大林最后故作亲近地说：“我没有向朝鲜同志谈过这件事，而且也不打算谈。但我并不怀疑，当他们得知此事后将会很高兴。”[61]
毛泽东接到电报后，迫不及待地在第二天凌晨便起草了同意出兵的回电。但是，这一主张在中共领导人的会议上受到质疑，毛泽东不得不答复莫斯科：中国暂不出兵，有关问题将再行讨论。在毛泽东和彭德怀的极力主张下，10月5日下午的中共中央政治局扩大会议做出了派兵入朝作战的决议。随后，中国人民志愿军正式成立，部队进入了战前的最后准备阶段。[62]尽管出兵的决定已经做出，但中国领导人的犹豫和担心也是有道理的。关于出兵的时机，如果说在仁川登陆前中国军队可以协助防守后方，从而保障人民军主力在前线取胜；仁川登陆后中国军队可以在三八线建立一道防御线，从而阻止敌军继续北进的话，那么到10月初人民军主力丧失殆尽、三八线已被突破的时候，中国军队入朝作战的良机已不复存在。难怪麦克阿瑟在威克岛信誓旦旦地向杜鲁门保证，此时中国绝不会出兵朝鲜，否则，“对他们来说，那将是一次最大的屠杀”。不过，麦克阿瑟也指出了另外一种可能性，即中国投入地面部队，苏联出动空军，“进行联合作战”。[63]这恰恰就是当时毛泽东和中国领导人所期待的。
从作战角度讲，与美军相比，中国军队最大的弱点就在于武器装备落后和没有空军支援，而毛泽东从一开始就注意到了这个问题，并告知了斯大林。毛泽东在10月2日起草的电报中不仅开列了包括坦克、重炮和几千辆汽车在内的大量武器装备清单，而且提到“敌有制空权，而我们开始训练的一批空军要到1951年2月才有300多架飞机可以用于作战”，故要求苏联在中国军队出动时给予空军支援。[64]如果说因这封电报没有发出而斯大林不知其内容的话，那么从其他渠道传递的信息应是十分明确的。10月7日，斯大林派驻朝鲜的私人代表马特维耶夫报告：朴一禹已于10月5日从北京返回，他在北京期间受到毛泽东和中共领导人两次接见，谈话持续时间长达10个小时。毛泽东说，我可以尽力帮助朝鲜，但就是不能派出军队。原因在于，第一，中国出兵势必把苏联也拖入战争，而这将导致第三次世界大战；第二，中国军队虽然人数众多，但没有现代化的武器装备、空军和海军。[65]毛泽东对苏联人的谈话就更直接了。10月6日毛泽东与罗申谈话时说，他对斯大林提出中苏两国共同打击美国的说法感到十分欣慰，并强调，如果要打，就应该立即动手，他在刚刚结束的政治局会议上也是这么说的。说到中国出兵的问题，毛泽东强调，中国军队的技术装备非常落后，“完全指望苏联的援助”。谈话中，毛泽东“特别关注的是空军问题”，他指出，中国出兵“必须要有空军部队”，其任务在于：掩护派到朝鲜的中国地面部队；参加前线的作战行动；掩护中国重大的工业中心——上海、天津、北京、沈阳（鞍山和抚顺）。毛泽东最后说，为了汇报中国的有关情况和全部想法，他必须立即派周恩来和林彪前往苏联。[66]由此可以断定，周恩来赴苏谈判之前，斯大林对其目的和要求是一清二楚的。
10月8日，毛泽东分别正式通知金日成和斯大林，中国已决定组成志愿军援助朝鲜，部队大约在10月15日开始入朝。随之，莫斯科与平壤之间又互通了消息。中国终于决定出兵了，大家都松了一口气，金日成高兴得有些忘乎所以，甚至对中国军队在朝鲜集结的时间、地点和方式都做了安排。[67]但这一切来得似乎已经晚了，此时的斯大林有一种不祥之感，他在不安地等待着已经进入苏联国境的周恩来和林彪。