8月12日的谈判是在莫洛托夫和宋子文之间进行的，双方就大连、旅顺和中东路问题进行了会谈。莫洛托夫坚持要把旅顺和大连的行政管理权划归苏联，并且主张苏方在旅顺口军事委员会中占居优势，而且由苏联人担任主席。莫洛托夫还坚持将大连港所有建筑物和设备划归苏联，大连港主任由苏联人担任。

宋子文认为，关于大连和旅顺的管理问题，苏方只能充当顾问和享有咨询权。旅顺口军事委员会的组成应该是中苏对等，由中国人担任主席。他还表示，大连港的建筑和设备应归中国，但可以将其中的一部分租赁给苏联。

莫洛托夫提出，中东铁路和南满铁路的理事长必须由苏联人担任，其代表可以是中国人。他还坚持要求，苏联至大连、旅顺之间运输苏联物资不应纳税，也不受海关检查。

宋子文表示，这两条铁路中的一条可以由苏联人担任理事长，而另一条铁路则由中国人担任理事长，苏联人担任副理事长。宋子文同意苏联沿中长铁路运输物资可以不受海关检查，但必须纳税。他还提出，大连港主任应当由中国人担任。

在8月13日至14日的谈判中，宋子文宣布，蒋介石同意承认外蒙古"在现有的边界内"独立。这样，中苏谈判的最大障碍被清除了。

关于中长铁路问题，中方接受了斯大林提出的妥协方案，即理事会按照对等的原则组建，中国人担任的理事长拥有两票表决权，但铁路局长由苏联人担任。在大连港资产问题上，双方同意，大连港归中国，部分实施无偿租给苏联，但不得租给第三国。在大连港的主管问题上，双方也达成妥协意见：港口主任由大连市市长征得中东铁路和南满铁路局长同意后任命苏联公民担任，副主任由中国人担任。至于旅顺军事管理问题，双方均表示，苏方在军事委员会中占多数，主席也由苏联人担任，但民事管理权属于中国。

据当事人回忆，中国代表团的谈判策略并"不高明"。当中方的一项协议被苏方拒绝后，"中方代表就吓得不敢再提了"。宋子文从重庆带来一张标明外蒙古边界的地图，但斯大林说那张地图是日本人伪造的。宋子文、王世杰却"不敢请斯大林拿出一份真地图来"。每当出现这种紧张气氛时，通常由斯大林或莫洛托夫出面讲几句话才得以打破。可以而知，在这种情况下很难签订一项完全有利于中国的条约。

8月14日，中苏双方终于签订了《中苏友好同盟条约》。同时签订的还有《中苏关于中国长春铁路之协定》、《中苏关于大连之协定》、《中苏关于旅顺口之协定》、《关于中苏此次共同对日作战苏联军队进入东三省后苏联军总司令与中国行政当局关系之协定》等四个附件。

根据《中苏友好同盟条约》的规定，苏联明确表示给予中国以道义上与军需品及其他物资援助，而此项援助完全供给中国国民党政府。同时，苏方认为东北三省属于中国一部分，对中国在东三省的主权表示"尊重"，并且承认东三省领土和行政的完整。