周恩來一行順利到達莫斯科后，1939年9月14日下午由任弼時聯系被蘇聯政府安排到克里姆林宮醫院。

據當時正在蘇聯的師哲回憶說，他被安排給周恩來當翻譯，所以他每天都要到醫院去。當時蘇聯政府安排了許多高明的醫生為他治療，先后進行過三次大的會診，提出兩個治療方案，供周恩來選擇:一個是把肘骨拆開，重新接上。這樣胳膊可以運動自如，但是治療過程太痛苦，而且時間長，當然還要冒手術不成功的風險。二是不開刀，采用按摩治療的方法，這樣做所需的時間短，但不好的是愈合效果不會太好。由于國內工作太忙，不允許在國外滯留太久的時間，所以周恩來堅持執行第二個方案。

但這些回憶并不完全準確，實際上當時蘇聯醫生確實給周恩來做了手術。我們從現存俄羅斯“現代史文獻收藏和研究中心”的檔案資料中發現了鄧穎超1939年10月8日致季米特洛夫的一封信，這封信比較詳細地介紹了周恩來在醫院治療的經過。據鄧穎超的信說，手術是9月19日在克里姆林宮醫院進行的。這是一次小手術，只切除了一小塊突出的骨頭。過了一周之后，即25日就已經拆線，經檢查傷口已經全部愈合。從拆線的第二天起就開始新的療程，主要是按摩、烤電、運動和浴療，目的是使受傷的手臂逐漸恢復運動技能。按照教授和醫生們的最初估計，他的手臂將可以彎曲45度。經過了一周卓有成效的治療，他的手已經可以移動，手部的顫抖也已經減輕。但是，鄧穎超在信中指出，根據現有的情況可以肯定，盡管以后手的彎曲程度要比預料的大些，但是要完全恢復將是不可能的，這只手最終將是半殘疾的。

1939年12月4日，任弼時和周恩來在致中共中央的信中說，周恩來的治療將在12月底結束，大約在1月中旬回去。

這種治療過程并不比做手術更輕松。過程中，有時在注射麻藥后，醫生把他的胳膊強行按在一定的角度上加以固定，簡直是痛苦異常。特別是在麻藥失效后，病人疼痛難忍。按摩往往也十分痛苦，但周恩來都以極大的毅力堅持了下來。

周恩來在醫院總共住了兩個多月，在新年的前幾天出院。1940年元旦的晚上還出席了共產國際舉行的新年聯歡會。出院后，周恩來立即開始了緊張的工作。

周恩來的工作有以下幾個方面：一是向共產國際匯報工作，報告有關中國抗日戰爭的形勢和中國共產黨的工作。1940年1月底，他還在國際執委會的秘密會議上作了有關中國問題的報告，根據他的報告共產國際執委會主席團作了有關決議。二是周恩來分別會見了當時在共產國際的各國共產黨的領袖人物。三是參加了共產國際監委處理李德問題的工作，這是根據中國共產黨的意見進行審查的，當時在場作證的有劉亞樓同志。四是看望了當時在那里的許多中國同志。

在我們所見到的諸多著述中都沒有或者很少提及的是，周恩來出院后還完成了一項重要的工作，那就是和共產國際一道研究了中共中央的干部問題，分析了中共黨的干部狀況，同時還就有關中共“七大”的召開時間及人事安排問題同共產國際進行了磋商。在這以后，共產國際執委會書記處于1940年2月8日關于中國共產黨的組織干部問題作了一項決議，無疑這是在中共“七大”召開前，也是共產國際解散之前，共產國際就中共和中國革命問題所作出的最重要的決議之一。

在蘇聯期間，周恩來了解并解決了陳郁的問題，把他調回莫斯科，準備帶他一起回國。關于陳郁的問題，我們在檔案中也發現了他的一份鑒定材料。這份材料這樣寫道:陳郁，波列沃依，化名李文。1905年生于廣東。1931年到莫斯科，1933年被派到斯大林格勒拖拉機廠工作，直到現在。在莫斯科時，“1932年，王明指控陳郁有反黨反革命活動以及參加組建(羅章龍)第二黨的活動。陳郁用俄文寫了檢討，承認了對他提出的全部指控。根據1933年中國代表團的提議，停止他在莫斯科步兵學校的學習，并派他到斯大林格勒拖拉機廠參加生產實踐。在那里他作為技師工作到現在，同黨組織沒有聯系。陳郁一案，任何一級黨的機構都沒有調查清楚，而且就針對他的指控也沒有作過任何黨的決議。”周恩來證實他是中共黨員。有關陳郁的問題，最后的結論是交聯共(布)中央監委審查，而且應有周恩來參加。這份檔案的簽發日期是1940年1月16日。

周恩來在蘇聯期間，同任弼時一起就中共“七大”的召開時間、新中央的人選及一些人員的安排使用問題又重新進行了慎重而全面的研究，他們的意見得到了中共中央的原則贊同。

1940年3月，周恩來等人乘火車從莫斯科到阿拉木圖，然后乘蘇聯提供的專機經烏魯木齊到蘭州。同行的有鄧穎超、蔡暢、陳郁(偽裝的身份是副官)、師哲(偽裝的身份是秘書)、任弼時和夫人陳琮英、日共領導人野坂參三(即岡野進，化名林哲，偽裝的身份是參謀)、印尼的阿里阿罕(化名王大才，偽裝的身份是衛士)共9人。為了加強中共和國際之間的電訊聯絡，共產國際還交給他們一部電臺，由周恩來回國時帶回。這方面的工作由任弼時負責，國際還交給任弼時聯絡訊號、電報密碼本，還有小型攝影機等物品。

另外，當時共產國際還給中共一些資助。這些東西由任弼時帶在身邊，入境時便放到周恩來的公文包里，當時他是國民政府軍事委員會政治部副主任，中將軍銜，過境時在中蘇雙方都享有豁免權。周恩來一行的飛機在伊寧稍事停留，順利地通過了邊境檢查。到烏魯木齊時，盛世才親自到機場迎接，在這里總共停留了一個星期左右。在新疆周恩來再次和盛世才進行了談判，接見了中共在當地的干部和工作人員。到蘭州又停留了三四天后，3月25日到達延安。