斯大林對丘吉爾的冷淡態度感到憤怒，他陡然離座站起，對身邊莫洛托夫說：“我們走吧，我們在這裏沒有什麼事好幹，我們前線還有許多事要做呢……”另一邊的丘吉爾也麵紅耳赤，羅斯福隻好打圓場。最後，在美蘇雙方的壓力下，丘吉爾隻得明確“霸王”戰役的日期。即“霸王”戰役將於1944年5月發動。而羅斯福表示，在三四天內或在返回開羅後，馬上任命“霸王”戰役的總司令。事後羅斯福的軍事顧問們長鬆口氣說：“我們總算是沒有被丘吉爾拉到巴爾幹半島去。”
會議還討論了戰後波蘭疆界，三國首腦一致同意東、西邊界都向西移。談到德國未來時，丘吉爾主張把德國南部同普魯士分開，他認為“罪惡的根源在普魯士，在普魯士軍隊和總參謀部之中。”南部和其他有關國家成立“多瑙河聯盟”，斯大林表示異議，會議對此未作結論。在討論處置戰後德國的問題時，還有一個小插曲：斯大林開玩笑說，為了防止德國在15或20年內再次發動世界大戰，必須處決5萬名德國軍官。信以為真的丘吉爾表示強烈反對。羅斯福也笑著說，如果5萬人太多，49000人怎麼樣？脾氣急躁的丘吉爾一氣之下離開了餐廳。斯大林隻好追出去向他保證，他剛才說的話隻是開開玩笑。
從打敗軸心國家角度出發，丘吉爾希望美蘇英三國密切合作。但從三國各自利益考慮，他又希望英美團結一致對付蘇聯。然而，自斯大林格勒保衛戰之後，蘇聯的地位越來越重要，羅斯福很清楚，沒有蘇聯的合作，美國關於戰後世界的一些設想就不能變成現實。在這次會議上，羅斯福更注意接近、討好斯大林。因此丘吉爾在德黑蘭會議期間一再說，他那時才第一次意識到“英國是一個多麼小的國家”，“我的一邊坐著把一條腿搭在另一條腿上的巨大的俄國熊，另一邊是巨大的北美野牛。中間坐著的是一頭可憐的英國小毛驢……然而，在這三者當中唯有小毛驢能夠認準歸途。”
德黑蘭會議於12月1日結束。當天晚上，斯大林做東道主，主持了最後一次晚宴。宴會之後，三巨頭握手告別。德黑蘭會議使美、蘇、英三大盟國之間加強了團結，反法西斯聯盟得到了鞏固。
“霸王”戰役
德黑蘭會議之後，英美兩國就開始為即將到來的“霸王”戰役做準備。1944年上半年，法國有近50萬人投入反對法西斯占領軍的戰鬥，有的城市正在醞釀起義。在地中海和大西洋，盟軍已控製了那裏的海上通道。這對盟軍的登陸行動十分有利。
剛剛結束德黑蘭會議，12月12日，患有輕微感冒的丘吉爾又應艾森豪威爾的邀請，飛到突尼斯休息一天，但是飛抵突尼斯時病情突然轉重，經診斷為肺炎，還患有心房纖維性顫動，醫生對丘吉爾的健康狀況極為擔心，建議他臥床休息。但丘吉爾卻不願把全部工作撂下，他在病中還給羅斯福發去一份電報，告訴美國總統他所選擇的英國新司令官不僅有梅特蘭·威爾遜，還有蒙哥馬利。後者將在“霸王”行動計劃的初期統率全部軍隊。而此時羅斯福也敲定了指揮“霸王”戰役的西北歐盟軍遠征軍總司令人選——一在北非嶄露頭角的艾森豪威爾將軍。
英美兩國開始為“霸王”行動進行各項準備工作。身體漸漸康複後，丘吉爾每周主持一次會議，研討“霸王”行動計劃的實施。登陸的地點選在諾曼底，這裏地勢開闊，可同時擺開二三十個師，距英國西南海岸各主要港口又較近，便於輸送部隊運送物資，德軍在這裏的兵力也較薄弱。而諾曼底的缺點是沒有良港，極富創新精神的丘吉爾於是提出了建造人造港的想法，召集工程技術人員進行設計。人造港是用100多萬噸鋼筋水泥來建造一批巨大的碼頭，將它們安放在海灘上，向海的一端浮在海麵。再用沉入水中的混凝土結構和沉船在外圍築成巨大弧形的防波堤加以掩蔽。這樣，盡管浪高流急，吃水深的艦船也能夠停泊和卸載，登陸艇能夠自由來往於海灘。
英國又對德國進行大規模空襲，美國空軍集中消滅德國戰鬥機。兩國轟炸機還空襲德國的運輸網，包括鐵路、公路和機場，以阻止“霸王”行動開始後德軍增援部隊的迅速調動。在軍需部議會協調大臣、丘吉爾大女婿鄧肯·桑茲提議下，空軍對德國秘密武器的幾處試驗基地進行了猛烈的轟炸。通過這些戰略轟炸，“摧毀和打亂德國軍事、工業和經濟體係，瓦解德國軍民的士氣和鬥誌”。
另外，為了使敵人摸不準登陸方向，在“霸王”行動開始之前，盟國方麵煞費苦心地利用各種手段迷惑敵人。盟軍成功運用了雙重特工、電子幹擾，以及在英國東南部地區偽裝部隊及船隻的集結等一係列措施，再加上嚴格的保密措施，使德軍統帥部在很長時間裏對盟軍登陸地點、時間都作出了錯誤判斷。這些因丘吉爾所說“真相經常應由虛假相伴來做保鏢”的話而得名的“保鏢”計劃大獲成功。德國人真的以為登陸地點不是在諾曼底而是在加來，因而將他們的主要防衛力量，包括大批摩托化部隊都集結於加來周圍地區，從而使諾曼底的德軍防衛力量相對變弱了。