儘管中共中央政治局在討論出兵決策時，許多政治局成員對出兵抗美援朝有顧慮，主張不出兵或緩出兵，但經過討論達成一致，決策出兵抗美援朝後，抗美援朝就成了壓倒一切的中心任務，擺在了全國各項工作的首位。黨、政、軍、民全力以赴，保證抗美援朝戰爭的勝利。中共中央的決心是，立足於可能出現最壞的局面作準備。為此，中共中央、中央人民政府、中央軍委為爭取戰爭的勝利作了全面部署和準備。
除組建東北邊防軍時即決定推遲解放台灣，將軍事鬥爭準備的重點由解放台灣轉為準備抗美援朝戰爭，將全國國防重點由上海、天津、廣州三點為中心的三個區域轉為東北地區外，中國人民志願軍組成後，中央軍委還決定從全國各戰略區為志願軍抽調後續部隊。僅10月10日，中央軍委工作會議即決定，從西南第二野戰軍抽調3個軍9個師，組成一個兵團，準備於1951年1月開始出動；從中南第四野戰軍抽調2個軍6個師，準備於1951年2月出動。與此同時，命令第9兵團集結山東，待命開往東北，稍後又命令第19兵團於11月24日前完成一切出發準備，待命開往東北。
軍隊建設的重點由加強海軍、空軍建設轉為重點加強空軍、炮兵（含高射炮兵）和裝甲兵的建設。2月中旬中國政府同蘇聯政府簽訂的蘇聯向中國貸款3億美元貿易協定，其中1.5億美元，原計畫用於購買海軍裝備，為保證抗美援朝戰爭的需要，而改為大部分用於購買空軍飛機和陸軍武器裝備。
解除了全國野戰軍擔負的生產建設任務，重點轉為軍事整訓。12月初，又將原定於1951年1月開始的全軍教育以提高文化為主要任務，改為加緊部隊的軍事訓練，並將原定教育時間比例軍事為30%、政治為10%、文化為60%，調整為軍事為60%、政治為30%、文化為10%。已開始了的大規模複員工作，到1950年底，也已停止。
為防備美國以其空軍和海軍攻擊沿海城市和工業基地，10月31日，周恩來召集中央軍委代總參謀長聶榮臻、中央財經委員會副主任兼財政部長薄一波、勞動部長李立三、公安部長羅瑞卿、中共中央辦公廳主任楊尚昆、北京市市長彭真（時患眼病，以北京市委副書記劉仁代）開會，研究了全國的防空問題。確定：由周恩來、彭真、聶榮臻、薄一波、李立三5人組成全國防空籌委會，並由李立三為秘書長、楊尚昆為副秘書長，負責領導籌劃全國防空問題，對軍事防空和全國防空，分別責成有關部門擬出計畫，報經軍委和中央批准後實施。同時確定了必要時人員與物資疏散的方針與原則。據此，遼南地區的部分工廠向北作了遷移，共遷移到松江省和黑龍江省（現均為黑龍江省）20個工廠。
10月下旬，周恩來責成海軍司令部，制定了海岸防禦布雷計畫，從上海開始，北到長山列島、營口、安東海岸，選擇要點布置水雷，預計共需水雷4500枚。當時國內只有1500枚，周恩來指示，首先布置安東鴨綠江口的水雷防禦，其餘所缺3000枚水雷從蘇聯訂購。
與此同時，中央軍委還將人民解放軍空軍唯一的一支作戰部隊――第4混成旅，部署於上海擔負防空任務。此後陸續組建的殲擊機航空兵師，除參加抗美援朝作戰外，也分別部署於廣州、青島、天津、北京、唐山等城市擔負防空任務。並商請蘇聯政府同意，蘇聯出動殲擊機航空兵部隊，協助中國擔負了吉林、公主嶺、安東、瀋陽、遼陽、鞍山、唐山、青島、廣州等地的防空任務。還將國內僅有的高射炮兵部隊部署於瀋陽、鞍山、本溪、北京、天津、上海、南京、杭州、廣州等沿海大中城市。
為防止美國和台灣蔣介石集團聯合登陸進犯，在志願軍出動後，11月17日，毛澤東發電給中共中央中南局、中南軍區黨委會和華南分局，指示：「為了對付敵人可能在廣東登陸進犯，必須準備使用五個至七個軍。」「你們必須統籌兩廣，將兩廣作為一個對付帝國主義和蔣介石登陸進犯的統一的單位。」同時發電給華東軍區，指示：「華東一切工作要以美國和蔣介石登陸進犯為假想的基礎去作布置。」稍後又指示：「廣東有事須由四野負責獨立應付，保證戰勝可能入侵之台灣匪軍，鞏固廣東防務」。「福建有四個軍已很夠了……江浙兩省沿海亦需準備對付敵人進襲，華東全軍應完全自力擔負殲滅蔣匪進攻部隊，不要希望外援。」為加強華東軍區的工作，已兼任上海市市長的華東軍區司令員陳毅返回南京主持軍區工作，華東局和華東軍政委員會也將一部分支前機關分駐南京。
早在8月26日，周恩來主持召開檢查東北邊防軍準備工作的國防會議上，就指出：「我們這次作戰是對付美帝國主義者，而不是單單對付李承晚偽軍。美軍是依靠大炮、飛機等火力……我們的裝備對付國內敵人是夠了，但對付美帝國主義是不夠的。」為了防止美帝國主義將世界大戰一步步地推動起來，「我們的軍事建設應該有一個較長遠的計畫。如果今天訂不出長遠計畫，也必須先訂出一個短期的至少三年的建軍計畫，作為準備階段的計畫。」
這次會議確定，海軍、空軍、炮兵、裝甲兵等軍兵種分別作出一個三年建設計畫，年底前完成，1951年開始實施。
會議還確定：空軍到1951年1月底，再增編3個轟炸團和1個海軍飛機團，1951年下半年再增大編製。空軍至遲到1951年1月底開始出動參戰。
裝甲兵在1950年編成3個旅共9個坦克團，坦克360輛，9月底前編成，年底前完成訓練，準備1951年出動參戰。
榴彈炮、野炮、火箭炮、戰防炮等以配足10個軍的隊屬炮兵作出計畫，這些部隊組編後，1950年年底前完成訓練，1951年開始參戰。高射炮編成18個團，中小口徑高炮428門，3個月內分兩批完成訓練。
上述這些計畫大部得以實現，除海軍建設比較複雜，一時難以形成作戰能力，未參加抗美援朝戰爭外，其他軍兵種於1950年和1951年先後出動參戰，對取得抗美援朝戰爭勝利起了重要作用。
上述軍兵種建設所需裝備、器材，絕大部分需從蘇聯訂購，同時志願軍步兵部隊的裝備也相當落後，並且在朝鮮作戰需要空軍支援和掩護，而人民解放軍空軍尚無這種能力。
在中共中央政治局作出出兵決策後，10月上旬，周恩來和前往蘇聯養病的林彪受中共中央委託，秘密飛赴蘇聯，除向蘇聯領導人斯大林等通報中共中央出兵決策情況外，請求蘇聯給予武器裝備援助，並出動空軍直接支援中國人民志願軍作戰，帶去了請求蘇聯援助的武器清單。
據當年跟隨周恩來出訪的翻譯師哲和機要秘書康一民回憶，周恩來與蘇聯領導人會談的結果是，蘇聯同意為中國人民志願軍提供飛機、大炮、坦克等武器裝備。（當時未談及這批裝備的價格，斯大林也未明確將來一定償還。但到60年代初，中蘇關係惡化時，蘇聯領導人尼基塔？赫魯曉夫索要這批裝備的款項，中國人民在連遭3年自然災害的情況下，咬緊牙關，勒緊褲腰帶，全部予以償還。）斯大林沒有同意派蘇聯空軍支援中國人民志願軍作戰，但同意派空軍到中國境內協助防空。1950年11月，蘇聯空軍出動到鴨綠江上空作戰。後來，周恩來、聶榮臻同蘇聯駐中國軍事總顧問及空軍顧問協商，並經蘇聯政府同意，1951年第二季度開始，蘇聯空軍秘密出動到朝鮮清川江以北地區上空，掩護鐵路運輸，保持4～7個團作戰，直到朝鮮戰爭結束，先後出動共12個師。
此外，經毛澤東與斯大林電報協商，斯大林同意後，中國人民解放軍海軍司令員肖勁光、參謀長羅舜初在蘇聯駐中國海軍顧問庫次明陪同下，於10月底和11月，在莫斯科與蘇聯海軍領導人商談中國海軍3年建設計畫，還商談了訂購中國1950年至1951年海岸防禦急需的遠航魚雷快艇、裝甲艇、小型潛水艇、小型掃雷艇、水魚雷飛機、海岸炮、水雷、深水炸彈等各種裝備器材。
為便於統一志願軍的彈藥供應，11月7日，以毛澤東名義致電斯大林，請求蘇聯於1951年1～2月，為中國計畫在朝鮮作戰的12個軍共36個師提供步兵武器裝備，並發去了需提供的武器裝備清單，計蘇式步槍14萬支，子彈5800萬發；蘇式自動步槍26000支，子彈8000萬發；蘇式輕機槍7000挺，子彈3700萬發；蘇式重機槍2000挺，子彈2000萬發；飛行員用手槍1000支，子彈10萬發；TNT炸藥1000噸。獲得了蘇聯政府的同意，後來並如期供貨。
1950年10月8日，在毛澤東簽署的關於組成中國人民志願軍的命令中，即規定：「中國人民志願軍以東北行政區為總後方基地，所有一切後方工作供應事宜，以及有關援助朝鮮同志的事務，統由東北軍區司令員兼政治委員高崗同志調度指揮並負責保證之。」同日，毛澤東將這一情況通報給了金日成。9日，毛澤東又在給中國駐朝鮮