9月30日，在周恩來主持的國慶招待會上，赫魯曉夫發表了長達40分鍾的講話。他一方麵盛讚中國10年來所取得的偉大成就，稱“中國社會主義建設是亞非國家的榜樣”；另一方麵又說，現在“用武力去試探資本主義製度的穩固性”是不正確的，影射攻擊中國不該如此堅決地反對美帝國主義。
10月1日，在天安門城樓上，參加國慶檢閱的赫魯曉夫對毛澤東說：“關於生產原子彈的事，我們決定把專家們撤回去。”毛澤東平靜地回答說：“需要是需要，也沒有什麼大關係。技術上能幫助一下更好。不能幫就由你們考慮決定。”
10月2日，中蘇領導人在中南海懷仁堂舉行會談。出席會談的中方代表有：毛澤東、周恩來、劉少奇、朱德、陳毅；蘇方代表有赫魯曉夫、蘇斯洛夫、葛羅米柯、波諾馬廖夫、安德羅波夫。由於雙方觀點對立，會談時氣氛緊張，會談時間長達7小時。主要分歧在於：
（1）台灣問題。赫魯曉夫不僅埋怨中國1958年炮擊金門、馬祖給蘇聯“造成了困難”，而且對中國在整個台灣問題上的政策表示不滿。他認為“美國宣布支持蔣介石，我們宣布支持你們，這就造成了大戰前夕的氣氛”。他舉出蘇聯內戰中於1920年4月到1922年11月成立遠東共和國的例子，說“台灣應該用列寧處理遠東共和國的辦法來解決”。這實際上是強烈暗示中國應該考慮暫讓台灣獨立，或允諾不用武力解放台灣。毛澤東當即反駁說：遠東共和國是列寧建立的並由共產黨控製的。你赫魯曉夫是否認為今天的台灣也是由中國共產黨控製的呢？赫魯曉夫又說，1958年你們沒拿下來。毛澤東說，就是不拿下來，目的是維持同台灣國民黨的內戰關係，不讓美國插手。
（2）中印邊界衝突問題。赫魯曉夫公開偏袒印度，說誰先開槍我不知道，反正是印度人被打死了。周恩來說，印度人先入境，打了12個小時，怎麼能說我們錯了呢？陳毅質問赫魯曉夫，蘇聯方麵為何要發表這樣一個關於中印邊界衝突的塔斯社聲明？赫魯曉夫辯解說：尼赫魯沒有和美國簽訂什麼條約，尼赫魯還是主張中立和反帝的，因此，蘇聯不同意采取疏遠或削弱尼赫魯在國內地位的政策；對印度民族主義者我們還應團結。陳毅指出，我們對民族主義者的政策應是既團結又鬥爭，而不是采取遷就主義的態度。赫魯曉夫對陳毅說他采取遷就主義的態度很惱火，提高嗓音說：指責我們是遷就主義，這沒有根據。陳毅反駁道，你們塔斯社9月9日的聲明就是證明，在中印邊界問題上，你們采取了偏袒印度的立場。赫魯曉夫繼續為印度當局的親西藏叛亂分子立場進行辯解，指責中國在西藏問題上犯了錯誤。他說，西藏本身不能對印度構成任何威脅，而一個屬於中國的西藏就會對印度構成威脅。在印度邊界上有一個中國的西藏，在印度看來是很不舒服的。赫魯曉夫甚至說：你們為之戰鬥的土地隻是一塊人口稀少、荒涼的高地，邊界也是幾十年前確定的，沒有必要拿它來小題大做。這一番話明白無誤地說明，赫魯曉夫是想要求中國讓西藏獨立，把中印邊界地區的所有中國領土讓給印度。對此，周恩來舉例反駁說：既然人煙稀少的地區不那麼重要，那你蘇聯為什麼要強占芬蘭的卡雷裏亞地區呢？這指的是蘇德戰爭爆發前夕，蘇聯為了建立“東方戰線”，武裝占領了芬蘭的卡雷裏亞地區，並且通過1940年3月在莫斯科簽訂的《蘇芬和約》，將卡雷裏亞地區約4.1萬平方公裏土地強行劃入蘇聯版圖。周恩來一語擊中要害，赫魯曉夫理屈詞窮，無言以對。
此外，赫魯曉夫還發泄他舊日的積怨。他說，去年毛澤東同誌在尤金麵前嚴厲批評了我們黨，我們認為是不公平的。1956年中共八大，米高揚講話，毛主席中途退了場（米高揚講話批評中國對經濟的領導，並說中國的許多創造都是列寧的意見。毛澤東聽不下去，退了席），這是不恭敬。1957年初，周恩來同誌到莫斯科給我們上大課，我們也忍受了，等等。赫魯曉夫還抱怨說：你們說社會主義陣營要以蘇聯為首，但我們提出的意見，你們並不接受。
會談中充分暴露了蘇聯外交政策上的大國沙文主義，給中蘇關係造成了巨大的創傷。雙方在意見尖銳對立和不愉快的情況下結束了會談。10月4日，蘇聯黨政代表團離開中國。10月6日，在海參崴勞動者群眾大會上，赫魯曉夫竟不顧外交禮節，大罵中國領導人“像公雞好鬥那樣熱衷於戰爭”，以發泄他的不滿。