10月5日上午，毛泽东委托邓小平到北京饭店接彭德怀到中南海，同他个别交换意见。在了解到彭德怀拥护出兵决策的态度后，毛泽东征求他的意见能否率军入朝作战。彭德怀临危受命，表示坚决服从中央的决定。毛泽东深为感动，拉着彭德怀的手说：还是你在中央为难之时，坚决支持和服从中央的决定，有你去，我们就放心了。现在美军已大批向北冒进，我们不能再等待，要尽快出兵。当天下午，彭德怀在继续举行的会议上旗帜鲜明地表示：出兵援朝是必要的，打烂了，等于解放战争晚胜利几年。如让美军摆在鸭绿江岸和台湾，它要发动侵略战争，随时都可以找到借口。如等美国占领了朝鲜半岛，将来的问题更复杂。所以迟打不如早打，我们不同美帝国主义见个高低，要想建设社会主义是困难的。毛泽东接着讲话，称赞彭德怀的发言很有说服力，他说：我们国内当前存在着一些困难，这是事实。现在是美国逼着我们打这一仗的，犹豫退缩、担心害怕都没有用。现在只有一条路，就是在敌人进占平壤之前，不管冒多大风险，有多大困难，都必须立刻出兵朝鲜。随后，毛泽东宣布中央提议由彭德怀率军出征。
当天会议结束后，毛泽东留下彭德怀、高岗及周恩来共进晚餐，并一起研究入朝的作战方案。鉴于朝鲜情况已十分危急，毛泽东着彭、高二人8日先到沈阳召开东北边防军高干会议，迅速传达中央政治局的决定，督促部队立即作好人朝准备。关于入朝时间，预定在10月15日。关于部队更换苏联武器装备及空军支援问题，则由周恩来随即去莫斯科与斯大林商谈，尽快解决。随后，毛泽东对彭德怀说，抗美援朝我是积极分子，将来全国人民都要积极支援抗美援朝战争。为了使你到朝鲜后工作上的方便，你先把毛岸英带去，他既会俄文，又懂点英文。我让他去的目的，为的是在你身边有个可靠的翻译，将来与苏联方面联系比较保密，让他担任翻译工作；另一方面也让他作为第一批志愿军战士，在战争中去锻炼，这也叫作送子从军吧！彭德怀深知毛泽东此举是想在全党带个头，但考虑到毛岸英从小受苦，到处流浪，后来又被送到苏联学习很长时间，长期不在毛泽东身边生活，父子难得团聚等情况，极力劝说毛泽东留下长子在身边照料。但毛泽东仍坚持让毛岸英随彭德怀一起入朝参战。
志愿军挂帅人选和入朝时间既定，10月8日，毛泽东以中国人民革命军事委员会主席的名义，发出了《关于组成中国人民志愿军的命令》。命令指出：为了援助朝鲜人民解放战争，反对美帝国主义及其走狗们的进攻，借以保卫朝鲜人民、中国人民及东方各国人民的利益，着将东北国防军改为中国人民志愿军，迅即向朝鲜境内出动，协同朝鲜同志向侵略者作战并争取光荣的胜利。并宣布任命彭德怀为中国人民志愿军司令员兼政治委员。同时，毛泽东将中国派遣志愿军入朝作战的决定，通过驻朝使馆转达金日成，请他派员到沈阳与彭德怀、高岗会商志愿军入朝作战的具体事宜。当天，彭德怀即和高岗飞到沈阳，着手运筹大军出动。同日，周恩来受中共中央委托飞往莫斯科，9日，他和已在苏联治病疗养的林彪一道，飞抵黑海之滨的克里米亚，同在那里休假的斯大林商谈志愿军更换苏联武器装备和空军支援等问题。
就在中国人民志愿军即将出国作战时刻，10月10日，毛泽东收到了周恩来发自莫斯科的急电，内称：斯大林答复苏联空军目前尚未准备好，暂时无法出动支援中国志愿军作战，请中央对出兵问题再作考虑。这个突如其来的变故，陡然加重了志愿军向朝鲜出动的困难。应该说，朝鲜战争从一开始起，就是一个必然引发国际冲突的特殊敏感问题。在美苏对峙的世界格局中，斯大林最担心的是苏联对朝鲜民主主义人民共和国的直接援助，会给美国造成借口而将战争扩大到朝鲜境外，乃至欧洲、世界各地。为此，斯大林的希望是由中国出动地面部队，力争把冲突限制在朝鲜境内，而苏联则出动空军予以支援。
按照双方约定，中国方面毛泽东已发布命令要志愿军即行出动，苏联方面却临战暂缓出动空军。这主要是由于斯大林看到10月2日以后，美军竞不顾苏联可能作出反应而越过三八线大举北进，判断美国已不惜代价和风险决心向鸭绿江边中苏边境进攻，因而担心苏联空军如在中、朝、苏边境与美国飞机和地面部队作战，可能会导致苏美之间的直接军事冲突，有诱发第三次世界大战的可能。特别是考虑到飞机一旦到了空中，就很难划定界限，如果由此而和美国全面冲突起来，战争就没有边缘了。所以，斯大林提出暂缓出动空军，实际上为的是竭力避免苏联直接卷入朝鲜战争，并未考虑到中国军队单独入朝同拥有绝对制空权的美军作战，将会遇到怎样的艰难险阻和付出多么大的牺牲。斯大林态度的突然变化，使周恩来感到事关重大，他立即于10月10日飞回莫斯科，在中国大使馆将这一牵动全局的情况紧急电告毛泽东。
收到周恩来的电报，毛泽东陷入深深的焦虑之中。就在前一天，彭德怀和高岗还来电询问志愿军出动作战时，军委能派出多少架战斗机和轰炸机配合？何时能出动？现在，这一希望已经落空。当天夜里，又收到彭德怀准备于11日晨入朝与金日成面商各项具体问题的电报。一边是军情如火，出兵在即；一边是迟疑犹豫，暂不出动。这种未曾预料到的情况，使毛泽东思虑再三，难作定断。经与代总参谋长聂荣臻商议，决定即刻通知彭德怀先不要入朝，并和高岗迅速来京，中央有要事讨论。随后，毛泽东又电告彭、高等暂不实行出动命令，部队仍就原地进行训练。
苏方的临战退缩，使中共中央、毛泽东直接面对着在没有空军支援的不利条件下还能否向朝鲜出动的难题。毛泽东深知：苏联空军若不出动，将意味着中国人民志愿军只能依靠劣质装备的步兵，来同美国的海陆空联合兵种作战。这不仅会给部队造成更大的损失，而且战争结果也难以预料。一旦战争扩大，美军轰炸大陆，进攻沿海，国内敌人和台湾蒋介石集团遥相呼应，民族资产阶级发生恐惧动摇，就难免引起国内政局的动荡，出现曾经估计的最不利的情况。可是，如果因此而暂不出兵，唇齿相依的兄弟邻邦会说找们见死不救，中国仍不能摆脱美国的战争威胁。基于上述考虑，毛泽东重新定下决心：即使苏联不出动空军，中国也要迅即出兵。
在10月13日举行的中央政治局会议上，毛泽东的这个新的决断经过认真讨论，获得一致赞同。当天，毛泽东将此决定电告周恩来说：“与政治局同志商量结果，一致认为我军还是出动到朝鲜为有利。在第一时期可以专打伪军，……只要能歼灭几个伪军的师团，朝鲜局势即可起一个对我们有利的变化”。“我们采取上述积极政策，对中国，对朝鲜，对东方，对世界都极为有利；而我们不出兵，让敌人压至鸭绿江边，国内国际反动气焰增高，则对各方都不利，首先是对东北不利”；“总之，我们认为应当参战，必须参战，参战利益极大，不参战损害极大。”这是中共中央、毛泽东对出兵援朝问题最后作出的正式决定，充分体现了中国方面不可移易的参战决心。作为中共最高领导层对出兵援朝问题认识上不断升华的产物，这个决定同时向东西方两大阵营表明：中国共产党和中国人民在履行应尽的国际主义义务上是责无旁贷的；维护领土主权和国家安全的立场是坚定不移的。即使在困难重重的不利条件下，新中国仍然敢于并能够迎战世界上最强大的帝国主义国家美国。
在莫斯科焦急等待的周恩来，一收到毛泽东的电报，即要求与斯大林紧急约谈。和前一次商谈时的拘谨、不动声色截然不同，斯大林听到毛泽东这个最后决定时，感动得流下了眼泪。他一再表示：还是中国同志好，还是中国同志好。曾几何时，斯大林怀疑毛泽东是“狭隘民族主义者”，是“中国的铁托”。现在，面对不容置辩的事实，斯大林终于相信中国共产党人及其领袖毛泽东，不愧是真正的马克思主义者，不愧是伟大的国际主义者。斯大林这一认识上的转变，使苏联原来对新中国的态度发生了较大的变化。在整个抗美援朝战争期间，苏联一共向中国提供了64个陆军师、22个空军师的武器装备。尽管其中大部分是有偿提供的，但毕竟对中国人民志愿军入朝作战起了重要保障作用。后来，苏联方面还比较积极地为中国提供了重点工程建设方面的援助，对中国奠定工业化基础起了有益的促进作用。
从10月1日以来的半个月内，毛泽东为最后定下出兵援朝的决心日夜焦虑，寝食不安，经常是服用安眠药也无法人睡。显然，派遣志愿军人朝参战，是他一生中最难做出的决策之一。这个决策的制定，体现了毛泽东临机决断关涉国家民族大计的复杂事务的魄力和胆识，以及他对国际战略形势的敏锐洞察力。《剑桥中华人民共和国史》对此评价道：“中华人民共和国在朝鲜冒险付出的代价确实很高。但由于安全得到保障和中国国际威望提高所带来的益处超过了代价，因此，毛在政治上英明的声望更高了。”
中共中央、毛泽东的最后决定一经作出，从1950年10月19日傍晚起，中国人民志愿军第一批出国作战部队，以6个军18个师的强大阵容，陆续秘密渡过鸭绿江，向着朝鲜境内隐蔽挺进。从这一天起，中国人民革命军事委员会主席毛泽东即分出相当一部分精力，转向抗美援朝战争的战略运筹和军事指挥上来。
对于入朝后的首次战役部署，毛泽东指出：我们应当从稳当的基点出发，不做办不到的事。目前朝鲜战局，就军事方面来说，决定于我们能否利用敌人完全没有料到的突然性全歼2至4个伪军师；能否在敌机炸扰下仍能保持旺盛士气进行有力的作战；能否在敌人从美国或他处增调兵力到朝鲜以前多歼灭几部分敌人的兵力。总之，我们应在稳当可靠的基础上争取一切可能的胜利。