与核能基础研究不同的是，导弹研究属于纯军事目的，又与原子弹密切相关，苏联在这方面自然要谨慎行事。况且，当时苏联正热衷于同英美讨论停止核试验的问题。1956年7月16日，外交部长谢皮洛夫（Sepilov）在最高苏维埃会议上说，原子武器的试验性爆炸应当马上停止进行，这对于全世界人民来说是很重要的。苏联建议，或者美国、苏联和英国政府缔结一个三边协议，其它国家随后加入；或者通过上述政府各自发表正式声明，保证不再进行原子武器和热核子武器试验。谢皮洛夫还宣布，苏联政府认为:有必要毫不拖延地就立即停止一切原子武器和热核子武器的试验和实验性爆炸的问题，缔结苏联、美国和英国的三国协议。1957年1月14日，苏联又在联合国大会上提出了一份作为防止核扩散手段的片面禁止核试验的提案。副外长佐林（Zolin）在大会上指出，拥有原子弹和氢弹的国家数量的任何增长都会使局势复杂化。而苏联提案的实际结果是:一个现在尚不拥有原子弹和氢弹的国家，即使已经掌握了这些武器的生产秘密，并已拥有必需的材料，她也不能有效地试验这些武器。这个方案的提出，必然会影响到苏联对中国的核援助方针。

就在核工业援助协定签字的当天，1956年8月17日，国家计委主任李富春应聂荣臻的请求，写信给苏联部长会议主席布尔加宁（Bulganin），要求苏联政府在建立和发展导弹事业方面向中国提供全面的技术援助，并提议中国派政府代表团去苏联谈判。9月13日苏共中央覆电中国中央称:考虑到导弹技术的复杂性和中国目前缺乏干部的情况，建议中国最好先从培养干部开始，然后根据这方面培养专家的情况，再着手建立科学研究机构和生产企业。苏共中央决定帮助中国培养导弹人才，将派专家到中国学校去工作和授课。已经指示苏联有关机构把导弹专业的教学大纲和教学计划，以及培养干部所需要的教具、样品及其技术说明送给中国。从1957年的新学年开始，苏联高等学校将设立小组，可以接受五十名中国留学生，以便培养导弹技术方面的专家。这与中国的要求实在相差太远，聂荣臻对此「大失所望」。

苏联的如此态度再次影响了中国的国防建设计划。1956年10月17日中国中央以聂荣臻代拟的电稿覆电苏共中央。覆电说:为了尽快培养导弹方面的干部，除了按照苏共中央来电的意见，中国将在1957年新学年派去五十名留学生外，还打算将一批正在苏联高等学校学习的中国留学生，转到同导弹技术直接有关的专业去学习。同时，准备在中国几个主要高等学校增设有关导弹技术的专业，希望苏联政府供给教学资料和教具、样品，并派专家来华协助教学。覆电还要求派代表团赴莫斯科谈判。但苏方迟迟不予答复。由于苏联态度消极，加上第二个五年计划考虑紧缩投资，迫使中方不得不考虑减少国防建设项目。聂荣臻和「三机部」部长宋任穷于1957年1月联名致电在莫斯科访问的周恩来，提出在原子能工业方面，第二个五年计划只进行科学研究、地质勘探、生产氧化铀和金属铀、建立一个原子反应堆和一个生产钚的化工厂，而把制造原子弹的关键环节──生产浓缩铀-235的扩散工厂推迟到第三个五年计划再考虑。

正当中苏谈判陷入僵局的时候，同1954年的情况相似，又是苏联党内斗争的激化导致赫鲁晓夫放宽了在核援助方面对中国的限制。1957年6月苏共中央全会指责和批判马林科夫（Malinkov）、卡冈诺维奇（Kaganovich）、莫洛托夫（Molotov）进行非法的反党组织活动，并把他们排除出中央领导层。这次斗争是继苏共二十大和波匈事件后，苏联党内思想路线分歧又一次大暴露。赫鲁晓夫采取非常手段制服了其对手之后，亟需得到各国共产党，特别是中国的认可和支持。7月3日，即中央全会结束三天之后，苏联副外长巴托里切夫（Patorichev）便接见了各社会主义国家使节，苏共中央联络部部长安德罗波夫（Andropov）和苏联对外文委主席茹可夫（Zhukov）还分别找中国使馆的陈楚和张映吾参赞，通报有关苏共中央六月全会情况。7月5日，赫鲁晓夫又派米高扬（Mikoyan）专程前往中国杭州，向毛泽东和其它中国领导人详尽介绍了苏共六月中央全会的经过，以及赫鲁晓夫同莫洛托夫等人在对内对外政策方面的分歧，其中包括赫鲁晓夫反对莫洛托夫在对华态度上的一些错误做法。米高扬表示希望中国能支持赫鲁晓夫为首的苏共中央的立场。在此前一天，中国中央政治局连夜开会，讨论了苏联党内斗争问题，确定的基本方针是:从承认事实，分清两派是非观点出发，支持新的苏共领导机构。同时决定，第二天在《人民日报》刊登苏共中央全会的消息和决议。因此，毛泽东听完米高扬的情况通报后即宣布，中国中央政治局已经决定支持苏共中央的决定。于是，赫鲁晓夫投桃报李，立即在援助中国发展核武器和导弹方面表现出积极性。

鉴于原子能工业发展计划尚未定案，需对1956年8月的原子能协议进行修改，7月18日聂荣臻再次写报告给周恩来，希望政府出面与苏方交涉。周恩来批示交外交部办理。令聂荣臻感到意外的是，这一次苏联的反应十分迅速，20日阿尔希波夫（Arkhipov）便答复愿就国防新技术援助事宜约定时间面谈。22日聂荣臻来到阿尔希波夫的寓所，两人在客厅里都显得很高兴。阿尔希波夫表示:关于国防新技术援助的问题，苏联政府支持中国政府的要求。苏联同意进行谈判，并将圆满答复中国政府提出的任何问题。聂荣臻汇报后，毛泽东、周恩来同意由聂荣臻组织代表团赴苏谈判。

以聂荣臻、宋任穷、陈赓为首的代表团于9月7日抵莫斯科。谈判从9月9日开始，分成军事、原子、导弹、飞机、无线电五组同时进行。尽管在谈判中苏联方面还是有一些保留，但总体说来十分友好和热情，苏方代表团团长、国家对外经济联络委员会主席别尔乌辛（Pervukhin）甚至在谈判中认为中方提出的有些产品型号性能已经落后了，主动建议提出更新的产品型号。9月14日苏方提交了协定草案，别尔乌辛对聂荣臻说:这种协议在苏联外交史上还是第一次，因为中国是最可靠、最可信托的朋友。希望中国政府能早日定案。聂荣臻召集代表团全体成员和顾问开会时说:苏联政府这次的确很热情，很诚恳，很慷慨。中国得到这些援助后，再经过自己的努力，国防物质基础在第二个五年计划末将跃进到一个新的科学技术水平。消息传到国内，9月29日上午，周恩来委托彭德怀、李富春召集国防工业负责人会议进行研究。在听取了宋任穷和张连奎的汇报后，与会者一致认为，苏联提出的援助项目都是中国国防所必需的，因此积极表示赞成，并同意照苏联提出的协议签字，签订后再从各方面继续具体商谈。