6月30日，宋子文抵达莫斯科，同行的还有胡世泽、沈鸿烈和蒋经国等。当天，双方举行了礼节性的会谈，而且气氛也相当友好，“苏联欢迎礼节极隆重”。宋子文强调，中苏关系对中国特别重要，因此，恢复中国同苏联的密切关系，“实为重要”。斯大林表示，苏联现在已经是新人在位。以往，俄国同日本结盟以瓜分中国，现在，“俄国欲与中国联盟以遏制日本。”

　　但是，7月2日的会谈就显得十分紧张了。据当事人回忆，正式谈判开始的时候，斯大林拿出一张纸向宋子文面前一掷，态度傲慢。随后说道：“你看过这个东西没有？”宋子文知道是雅尔塔协定，说“只知道大概内容”。斯大林强调：“你谈问题是可以，但只能拿这个东西做根据，这是罗斯福签过字的。”

　　斯大林出于苏联自身利益的考虑，提出了外蒙古问题。他直言不讳：外蒙古要求独立，中国政府应承认外蒙古现状，苏联不打算吞并外蒙古，亦希望中国准许外蒙古脱离。苏联虽然多次承认外蒙古为中国领土，但是，现在为苏联国防着想，不得不在外蒙古驻军。以往日本曾试图从外蒙古进攻西伯利亚，所以，我们盼望外蒙古能独立并且同苏联结盟，以保障苏联领土安全。斯大林还声称，如果苏联在外蒙古问题上得不到满足，这次会谈就不可能达成任何协定。

　　遵照蒋介石的指示，宋子文在会谈中不准备着重讨论外蒙古问题。他说，中国政府目前可以不向苏联提请商议外蒙古问题，希望斯大林亦不提这个难题。因为中国任何一个政府如果丧失土地完整，必为国人不谅。宋子文认为斯大林没有理解中国政府关于外蒙古问题的立场。中国政府无论如何也不能放弃外蒙古，因为这样做将会使西藏问题复杂化。如果割让外蒙古，中国人民对政府将失去信仰。

　　关于旅顺问题，斯大林出于“顾念中国政府地位”的考虑，同意不用租借方式，由中苏共管使用，期限为45年。他表示，中东铁路和南满铁路只限于干线，平时不运送军队。斯大林还提出，铁路也由中苏共管，利益均享，期限为45年。

　　双方还讨论了国共两党问题。宋子文强调，国民党政府愿在军权、政权统一之下，容许共产党参加政府，但领导权属于国民党，而且不能有联合政府。斯大林表示同意，他说，以国民党的历史关系，应该居于领导地位，但是，如果国民党政府不容纳中国共产党，将难以克服其困难。斯大林声明，这是为中国利益着想，并非有意袒护任何党派。

　　当天的会谈持续了三个半小时，从宋子文给蒋介石的电报来看，双方在东北三省问题上“比较满意”，但“外蒙问题则成僵局”。

　　由于宋子文的强硬态度，经过激烈的争论之后，斯大林未能迫使中方接受他的要求。事后，宋子文告诉哈里曼，中国人民虽然知道中国目前不能对外蒙古行使主权，但是，如果某个政府放弃中国在这个区域的权利，人民是不会拥护它的。事后，宋子文讯问哈里曼，罗斯福过去对这个问题的解释如何，他请哈里曼立即致电华盛顿询问美国政府的实际看法。

　　可是，美国的回答使宋子文有些失望。7月4日，杜鲁门通过国务卿贝尔纳斯电告哈里曼，美国在目前莫斯科的讨论中不愿对雅尔塔协定中的任何一点充任解释者。但哈里曼可以“非正式地”向宋子文说明他的了解：就美国方面来说，雅尔塔协定中关于外蒙古地位所用字句的解释，没有任何讨论。既无讨论，那么按照大家对这些写下了的字句公认的意思，就是外蒙古目前事实上和法律上的地位应当保持下去。

　　由此可见，美国在这个问题显得小心翼翼，不愿意刺激莫斯科，所以它的解释实际上偏向于苏联。杜鲁门在致哈里曼的电报中还说：只限你一个人知道：“我们对现状的了解是，虽然在法律上外蒙古的主权至今属于中国，但事实上这个主权未被行使。美国政府，按照1922年的九国公约，一向谨慎地没有丝毫表示，它认为中国边远的属地，如外蒙古，与中国其他部分具有不同的地位。”

　　第一次谈判陷入僵局之后，蒋经国以私人名义拜访了斯大林。会见时，斯大林开门见山地问道：中国为什么坚持不让外蒙古独立？

　　蒋经国解释说，中国抗战七年，就是为了要把失去的土地收复回来，今天日本还没赶走，东北、台湾还没有收回，一切失地，都在敌人手里，反而把这么大的一块土地割让出去，那岂不失去了抗战的本意？中国国民一定不会原谅我们，会说我们“出卖了国土”。在这种情况下，国民一定会起来反对政府，那我们就无法支持抗战。所以，“我们不能同意外蒙古归并俄国”。