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xx，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。