1949年5月10日，正在天津视察调研的刘少奇突然接到毛泽东秘书叶子龙电话转来的通知，要他速回北平。回到北平后才得知，中央已决定以刘少奇为团长，高岗、王稼祥等为成员组成中共代表团访问苏联，同联共（布）中央和斯大林商谈有关两党两国的问题，积极争取苏联在政治、经济、外交等方面的支持。由于此时苏联与国民党政府仍保持外交关系，刘少奇一行只能秘密前往。

刘少奇一边处理各种政务，一边紧张进行访苏准备。6月中旬，毛泽东、刘少奇、周恩来在香山会见苏联驻北平总领事齐赫文斯基和苏联铁道部副部长柯瓦廖夫，协商中共代表团访苏有关事项。由于此行关系重大，毛泽东十分重视，临出发前特意召集刘少奇、王稼祥一起做了长时间谈话，叮嘱代表团应注意的事项。

6月21日，刘少奇率领中共代表团启程前往苏联。代表团抵达莫斯科后，刘少奇等被邀请前往郊外与斯大林会见。当刘少奇一行从车里出来时，以斯大林为首的苏共中央政治局委员依次站在门前，迎接远道而来的客人。刘少奇快步向前，与斯大林紧握双手，互致问候。刘少奇拿出一封信，说道：“这是毛泽东同志给您的亲笔信。”斯大林接过信，仔细看了俄译文本，邀请刘少奇等人一起步入宴席厅。刘少奇向斯大林和苏共其他领导人简略介绍中国革命战争进展和筹备建立新中国的情况，斯大林认真地听着，频频点头。

7月4日，刘少奇向斯大林提交了一份1万多字的书面报告。报告通报了当前中国革命的形势、新政治协商会议与即将成立的中央政府、外交问题和苏中关系的有关问题。报告特别指出，由于中国半殖民地的国情，新中国人民民主专政与苏联工农民主专政既有共同之处也有所区别。斯大林仔细地阅读了这份报告，时而沉思，时而批注，连续批了15个“对”字。6日，刘少奇又致信斯大林，就学习苏联经验和请求苏联提供援助等方面提出8个具体问题。

11日晚，中苏双方在克里姆林宫联共中央政治局会议室举行正式会谈。斯大林首先说明，这次会谈是按照中共代表团的愿望召集的，并解释因为报告中涉及战争和军事问题较多，所以也邀请元帅们列席。他说：“少奇同志的报告写得十分清楚、明确，我们方面的人都看了，没有问题。”刘少奇说：“中国革命虽然快要胜利了，新中国尚未成立，更伟大、更艰巨的任务还在后面，我们的报告谈到了一些基本情况，不一定全对，希望斯大林同志指示。”

斯大林听后说：“少奇同志，中苏两党是兄弟党，有问题互相商量，有困难互相帮助，密切联系，但不是一个党服从另一个党。”斯大林对报告中涉及的问题一一发表意见，对中共关于中国民族资产阶级、人民民主专政以及外交等问题上的观点和政策表示赞同。谈到中苏关系问题时，斯大林看着刘少奇，坚定有力地说道：“中国政府一成立，苏联立刻承认你们！”他接着说：“1945年签订的中苏条约是不平等的，因为那时是同国民党打交道，不能不如此。”对于此前在旅顺驻军问题，斯大林进行了详细解释，并承诺可以按照中共要求随时撤退。双方还就毛泽东访问苏联、苏方协助办一所中国大学等问题进行了商议。

此后十几天，刘少奇率领代表团广泛参观访问和座谈，既到内务部、教育部、财政部、商业部、国家银行等政府部门学习交流，也前往一些工厂、农庄和学校参观考察，认真学习苏联在政府管理和组织生产等方面的经验。

7月23日，双方就苏联向即将成立的新中国提供3亿美元借款一事达成初步协议。27日，受斯大林邀请，刘少奇与代表团成员到莫斯科郊外的孔策沃别墅赴宴。席间双方继续进行会谈，气氛轻松融洽。谈话重点集中在两党两国关系方面，斯大林举杯庆祝中国革命的胜利，肯定中共根据中国国情开创的革命道路。他说：“把马克思主义的一般原则应用到实际中去，你们有许多经验值得我们学习。”谈到两党关系时，斯大林说：“我们不愿别国共产党强制我们执行他们的意见，我们也不要求更不愿意强制别个国家的共产党一定要执行我们的意见。我们两党之间，经常交换意见是必要的，但我们的意见并不都是正确的。”

在谈到中国革命中的一些具体问题时，斯大林还带着歉意地向代表团问道：“我们是不是扰乱或妨害了你们呢？”刘少奇礼貌地回答说：“没有。”斯大林接着严肃地说道：“妨害了，妨害了，我们对中国不大了解。”斯大林又问刘少奇：“你们在美国人参与的和平运动（引者注：指抗战胜利后国共和谈）中是否受了损失，妨害了你们？”刘少奇回答说：“在和平运动中，中共中央的头脑是清醒的，但有个别的负责同志对和平有幻想，受了若干不大的损失。但那次和平运动很有必要，结果我们孤立了美蒋，使后来我们推翻国民党，打倒蒋介石，没有一个人说我们这样做得不对。”最后，斯大林感慨地说：“胜利者是不能被审判的。凡属胜利了的都是正确的。”30日，刘少奇同马林科夫签订贷款协定。31日，毛泽东致电刘少奇和王稼祥，指示“少奇可先回国”，留王稼祥在莫斯科处理后续事宜。刘少奇致信斯大林，转告毛泽东这一意见，并表示希望与柯瓦廖夫以及部分苏联专家一起返回中国。

根据刘少奇与斯大林达成的口头协定，以及中国恢复生产建设的需要，双方议定由苏方选派200余名各行业专门人才，立即跟随代表团到中国工作。刘少奇对这批援助中国的专家视若珍宝，曾专门就苏联专家在中国工作的待遇问题致电中央和毛泽东，得到中央同意。在回国途中，刘少奇多次看望同行的苏联专家，并提醒他们要有充足的吃苦准备，积极应对可能发生的各种情况。

8月25日，刘少奇同柯瓦廖夫带着苏联专家抵达沈阳。当时人民解放战争尚未结束，南方还在打仗，因此苏联专家大部分留在东北工作。刘少奇非常关心这些专家，安排细致周到。27日，他专门就给苏联专家配备办公及生活设施一事致电周恩来，其中连床铺被褥、纸张笔墨等细节问题都一一考虑到。他还探望了解专家的住宿条件和饮食情况，无微不至地关心他们。

苏联专家们十分感动地说道：我们像遇到了自己的亲人一样，你们对我们这样热情，尤其像刘少奇这样一位高级领导人亲自出面关怀我们，并且一直注意我们的生活细节方面的问题，不能不使我们深受感动，如果我们在这里不能尽心努力做好工作、完成任务、做出成绩，那我们将问心有愧，也对不起两国的劳动人民。

刘少奇的这次访问非常成功，直接加强了中共中央同联共（布）中央领导人之间的联系，对后来中苏关系的发展以及苏联对新中国的政策有着重要影响，也为新中国成立伊始毛泽东正式访问苏联做了很好的准备。