９月２０日舉行第三次會談。這次鄧小平作了係統的長篇發言，主要是批駁蘇斯洛夫和科茲洛夫在前兩次會上的長篇講話。
鄧小平從曆史上講到蘇共中央在朝鮮戰爭以後，在剛果問題、阿爾及利亞問題、匈牙利事件等一係列問題上顛倒敵我關係，以敵為友，以友為敵的錯誤，特別強調了在塔斯社聲明之後美化反動派，攻擊兄弟黨。在對美國的態度上更是這樣，赫魯曉夫大捧艾森豪威爾，罵中國“要試探資本主義穩定性”，說中國是“不戰不和的托洛茨基主義”。
鄧小平指出，在兄弟黨的關係上，他們搞的是父子黨，要各兄弟黨都得聽蘇共的。中國不聽，他就要控製中國。鄧小平在發言中列舉了共同艦隊的問題、長波電台的問題、撕毀全部協議的問題、封閉友好雜誌蘇聯發行的問題，要挑起邊境糾紛的問題，還講到在華沙條約國首腦會議的宴會上赫魯曉夫大罵中國黨、大罵毛主席等等。
鄧小平明確表示，蘇聯撤專家、撕毀協議，給我們造成嚴重的損失，即使這樣，我們也絕不屈服。我們要自力更生，用自己雙手來彌補這些損失，而且會還清欠蘇聯的債務。
鄧小平還義正詞嚴地責問蘇方：你們究竟要把中蘇關係引到什麼方向去？並列舉出一係列事實，蘇方無人回答，蘇斯洛夫臉都紅了。最後，小平說，希望蘇聯能夠改變態度，能夠坐下來好好談我們之間的分歧。
由於三次會談的緊張氣氛，使得蘇方原來準備的一個共同聲明草案也沒有拿出來討論。
第三次會談之後，我黨代表團覺得在當時的形勢下，會談實在很難繼續下去。代表團認為，既然現在蘇聯沒有準備冷靜地坐下來討論問題，不妨把問題推遲到起草委員會會議上去討論。經過請示中央後，在２１日的會談中，我代表團提出：在目前情況下，中蘇兩黨的分歧很大，一時也難得談妥。現在離起草委員會開會日期不遠，可以考慮兩黨會議就此告一段落。沒有解決的問題到起草委員會開會時再談。蘇方代表團也表示同意。看來他們也並沒有準備在這次兩黨會談中達成協議，仍想在更大範圍的會議上以多數逼迫我們屈服。９月２２日我黨代表團啟程回國。這樣，９月間的中蘇會談，不歡而散。
代表團在莫斯科的時候，每天都把會談的情況用電報發回來。毛主席曾多次主持常委會議，討論代表團的報告和請示並電複。代表團回後，９月２４日向中央常委作了扼要的彙報。
１０月２日，有２６國ｇｏｎｇｃｈａｎｄａｎｇ、工人黨代表參加的起草委員會在莫斯科開會，主要討論為全世界ｇｏｎｇｃｈａｎｄａｎｇ工人黨代表會議準備一個聲明草案。
蘇共中央舉行歡迎宴會，迎接２６國兄弟黨的代表團來莫斯科開會。
宴會上，赫魯曉夫還是忘不了對中共代表團的攻擊。
“現在我們在關於國際共產主義運動的許多看法上，與中國同誌有分歧。根據中國發表的列寧主義萬歲這篇文章來看，我們說，中國有許多錯誤的觀點。”赫魯曉夫一邊說著，一邊用眼角瞟了一下鄧小平。