1951年春，在抗美援朝战争进入高潮的时候，毛泽东点将徐向前前往苏联，洽谈对志愿军的武器援助问题。代表团的主要任务有两项：一是购买60个师的武器装备;二是请求苏联援助我国兵工厂的建设，统一步兵武器制式和生产152毫米口径以下各种火炮的技术转让问题。双方商定此次谈判是秘密的，对外不公开。

6月4日，在徐向前下榻宾馆的会客厅，徐向前向苏军总参谋长什捷缅科大将说明了来苏联谈判的主要任务，希望苏方大力协助，以便早日达成协议。什捷缅科再次表示，对中国代表团的到来致以最诚挚、最友好的兄弟般的欢迎。他对徐向前说：“我奉斯大林的指示，也组成了8人的谈判代表团。具体项目可由双方代表团的专家磋商。高一级的谈判放在后面进行。”

徐向前初次出访，没有外交工作经验，但他懂得“客随主便”之礼仪，认为朝鲜战场打得这么激烈，中国人民为了应尽的无产阶级国际主义义务，不惜作出这么大的流血牺牲，从道理上说，请“老大哥”支援一点武器装备和技术，不会有什么困难，故表示同意什捷缅科的安排。没想到，谈判竟相当艰难，长达5个月之久。

直到10月初，徐向前和什捷缅科的谈判才见头绪。

什捷缅科说：斯大林给苏军总参谋部的任务，就是要帮助中国把军队建设好，这个任务主要由我负责，请徐总长放心，一定会办好。军队编制要适应战争的需要，搞得合理才能在战争中发挥重要作用。根据我们卫国战争的经验，健全后勤组织及编制步兵、炮兵、坦克、骑兵师是十分必要的。

当徐向前问及军事订货时，什捷缅科回答：我们的运输能力有限，今年保证能给你们发运16个师的装备，其余44个师按每年运送三分之一计算，至1954年完成。徐向前提及援建兵工厂时，几次谈判什捷缅科都以外交辞令回避，毫无进展。

徐向前陆续将谈判情况通过中国驻苏联大使馆电告党中央和中央军委，并提出如下建议：第一，能否参照苏对我军步兵师的编制意见，初步确定我们的编制方案，以便通盘考虑购置装备的问题。第二，今年16个师的装备订货，可否根据朝鲜战场的急需，多订些高射武器、战防武器，步兵武器则不订或少订。第三，明后年的订货项目应视兵工厂的谈判结果而定，原则上我们能生产者不订货，生产不足者根据需要少订货，不能生产又急需者全部订货。

根据徐向前的建议，6月下旬，毛泽东又派高岗来到莫斯科，带来了60个师的装备订货单，由徐向前转交什捷缅科。因朝鲜战场急需的作战物资品种繁多，数量甚大，在徐向前没去苏联前，往往是毛泽东直接致电斯大林来解决这个问题。现在，由徐向前出面交涉，弄得苏方颇为头疼。

10月的一天，布尔加宁在莫斯科同时会见金日成、高岗和徐向前，他对3位客人说，苏联卫国战争结束只有5年多，一直忙于恢复经济建设，对于中朝两国的抗美斗争，我们是愿意提供援助的，可以援助的一定会援助。徐向前听得出，他讲话的意思是说苏方的援助是有困难的，不能满足中朝方面的全部要求，希望谅解。不久，苏方通知徐向前，原定今年提供的16个师的装备订货减为10个师，其余50个师的装备订货，从1952年1月起，每月发运1个半师，到1954年上半年，全部发往中国。徐向前和高岗出面去找布尔加宁，要求仍维持原计划不变，但未能如愿。

10月中旬，什捷缅科终于答复徐向前，同意转让几种兵工生产的技术资料，帮助中国建设一些军工厂。于是，双方签定了《关于中国工厂获得制造苏联式枪炮、弹药特许权和交付苏式枪炮弹药样品、生产技术资料及必要时派遣苏联专家给予技术援助的协定》。协定规定的武器为152毫米加榴炮以下的陆军通用武器，较先进的重型武器仍未达成协议。

尽管如此，在抗美援朝战争中，苏联的武器援助确实起到了重要作用。