与核能基础研究不同的是，导弹研究更带有纯军事色彩，又与原子弹运载有直接关联，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，外交部长谢皮洛夫在最高苏维埃会议上说，原子武器的试验性爆炸应当毫不拖延地停止进行，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定，随后由其他国家加入这个协定；或者通过上述政府各自发表正式声明，保证自己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定。[53]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：即使一个现在尚不拥有原子弹和氢弹的国家已经掌握了这些武器的生产秘密，并已拥有必需的材料，他也不能有效地试验这些武器。[54]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，要求苏联政府在建立和发展导弹事业方面给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。[55]9月13日苏共中央复电中共中央称：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进行导弹人才的培养，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50名中国留学生，以便培养导弹技术方面的专家。[56]这与中国的要求实在相差太远，聂荣臻对此“大失所望”。[57]
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12日聂荣臻召集航空委员会的委员和导弹专家开会，共同商议导弹武器发展中的困难及解决办法。聂荣臻在会上说：“我们对导弹的研究，苏联帮助也搞，不帮助也要搞。因此，不要等谈判，一方面准备谈判，一方面积极进行我们自己的筹建工作。”[58]根据会议讨论的情况，形成了《加强我国导弹研制工作的报告》，于15日上报给周恩来、彭德怀。报告说：按照苏共中央9月13日复电的精神，“对我国的援助目前仅仅是为我培养干部。这当然也需要，但较我们原提要求相距甚远。按照这个步骤，估计至少要七八年甚至更长的时间，才能在我国进行导弹的研究、试制和生产”，“这就大大地推迟了我国掌握导弹(包括无线电子学等新技术)的时间，对巩固国防和提高我国科学技术水平都不利”。因此建议，在继续与苏联谈判的同时，自力更生，积极筹建。[59]两天以后，中共中央以聂荣臻代拟的电稿复电苏共中央。复电说：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50名留学生外，还打算将一批目前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，并派专家来华帮助进行教学工作。复电还要求派代表团赴莫斯科进行谈判。[60]但苏方迟迟不予答复。由于苏联的消极态度，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。[61]
对于中国政府多次提出拟与苏方进行谈判，以解决在第二个五年计划期间苏联究竟对中国的原子弹、导弹和飞机生产给予何种援助的问题，半年后才有了一些结果。莫斯科态度松动的原因很可能是在处理波匈事件中得到了中共的帮助。[62]1957年3月30日，中苏代表在莫斯科签订了《关于在特种技术方面给予中华人民共和国援助的议定书》。议定书规定，苏联将派遣5名专家到中国，帮助进行教学组织工作，并在有关学校讲授有关(火箭)喷气技术的课程；按照喷气技术课程制订和提交教育计划和大纲；苏联有关高等学校在1957-1958年教学年度，接收50名中国大学生；提交两枚供教学用的P-1导弹样品及技术说明书。中国政府将偿付苏方给予技术援助的有关费用，并保证承担保密义务。[63]但这仍然不能满足中国的需要，且如下所述，该协定执行得也不顺利。
作为执行协定的条件，苏方又提出很多要求。5月11日苏联经济联络总局驻北京副代表加里宁少将会见聂荣臻时，传达了苏联为了在喷气技术方面帮助中国而需要了解的问题：一、中国在喷气技术方面的具体方针；二、中国已有多少训练出来的干部和以后还可能训练多少干部；三、建立新研究所的大致规模、期限和设备，要求苏联援助的性质和范围；四、中国可用来生产火箭技术的工业潜力，以及生产火箭武器所必须的原料、零件、半成品等工业保证来源；五、在设计、生产和使用火箭武器时的保密条件和应有的制度。苏联方面也希望知道中国方面授权何人在莫斯科就火箭技术问题进行商谈。6月18日，外贸部副部长李强再次向苏联驻华总顾问阿尔希波夫提出正式请求，阿尔希波夫答应请示政府后给予答复。6月29日苏方把皮球踢了回来，中国驻苏联大使馆商务参赞处来电称：苏方回复，中方对阿尔希波夫和加里宁今年5月提出有关火箭的一些问题，至今没有答复。苏方希望以书面形式尽快地答复他们提出的问题。在苏方得到对问题的书面答复后，再考虑邀请中国专家组来苏具体商谈。[64]看起来，随着美苏禁止核试验、限制核扩散谈判的深入，苏联政府在原子能和平利用与核武器研制之间所划出的界限，是越来越明确了。
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。[65]1957年6月苏共中央全会指责和批判马林科夫、卡冈诺维奇、莫洛托夫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。[66]赫鲁晓夫采取非常手段制服了其对手之后，非常需要得到各国共产党，特别是中共的认可和支持。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和苏联对外文委主席茹可夫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专程前往中国杭州，向毛泽东及其他中共领导人详尽地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。米高扬表示希望中共能支持赫鲁晓夫为首的苏共中央的立场。[67]在此前一天，中共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，中共中央政治局已经决定支持苏共中央的决定。[68]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月的原子能协定进行修改，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。[69]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。在客厅里，两个人都显得很高兴。阿尔希波夫对聂荣臻说：“元帅阁下，您上次提出的国防新技术援助的问题，我国政府对中国政府的要求表示支持。我受权宣布：苏联政府同意在适当的时候，由中国派政府代表团去苏联谈判”，并表示将圆满答复中国政府所提出的任何问题。聂荣臻汇报后，毛泽东、周恩来同意组织代表团赴苏谈判，委托聂荣臻负责筹组代表团。[70]8月6日，周恩来致函布尔加宁明确提出：“为了加强中华人民共和国的国防力量和更好地编制第二个五年计划和远景计划，我们考虑在我原子能工业建成后，需要进一步生产原子武器和它的投掷工具，请苏联方面给予大力援助，建议由中华人民共和国政府派一代表团，前往莫斯科与苏联政府进行商谈。”[71]
在苏联答复同意后，中国派出以聂荣臻、宋任穷、陈赓为首的代表团，还聘请了21名火箭、原子能、飞机、电子等方面的专家、教授当顾问，共40多人，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、无线电等5个组同时进行。中方分别以陈赓、宋任穷、钱学森、张连奎、王诤为组长，苏方分别以科涅夫元帅(国防部副部长)、斯拉夫斯基(中型机械工业部部长)、道玛尔切夫(国防工业部副部长)、别良斯基(航空工业部副部长)、晓金(无线电工业部第一副部长)为组长。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：这种协定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。[72]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定签字，签订后再从各方面继续具体商谈。[73]10月5日，周恩来致函中国驻苏大使刘晓，并告聂荣臻：中央同意由聂荣臻代表政府签订苏方所建议的协定。[74]