会谈中，双方围绕外蒙古边界的划分问题展开了激烈的争论。苏方既不肯接受中方提供的地图，亦不愿意对换文作任何关于疆界的声明。宋子文担心，如果不明确划分外蒙古边界，那么将会涉及到新疆阿尔泰地区一部分领土的归属问题。这部分领土在1911年前属于外蒙古，1924年蒙古人民共和国成立时该地区又划归新疆。1940年苏联出版的地图却把这一地区划入外蒙古。1944年阿尔泰地区发生暴动，并且引发了边界纠纷。因此，中方不能不考虑到，苏联有可能将这一地区视为外蒙古的一部分。于是，中方只好拿出1926年苏联出版的外蒙古地图作证。

斯大林在会谈中曾推测过中方的意图，他说：如果中国政府寻找借口，以划分边界要求收回已作出承认外蒙古的要求，就应该“直截了当地和坦率地讲清楚”。斯大林坚持认为，外蒙古边界十分清楚，25年来，外蒙古同新疆的边界一直没有发生纠纷，因而拒绝了宋子文提出的由中苏联合委员会堪定外蒙古边界的提议。斯大林还向中方施加压力，重新提出关于立即承认外蒙古的要求。

他甚至说，如果中国再纠缠外蒙古边界问题，内蒙古的疆界将会消失于外蒙古，成为一个更大的蒙古共和国。斯大林还警告宋子文：中国政府最好尽快同意达成一项协议，否则，中国共产党就要进入满洲了。

尽管双方经过激烈的争论，但在外蒙古的边界问题以及旅顺口、大连和中东铁路的行政管理问题上仍未达成一致意见。据王世杰分析，斯大林始终没有拿出苏方地图，原因在于：一是苏方预计其地图既包括新疆一部分领土，中方可能不会接受；二是唐努乌梁海等地方，原属外蒙古，现已成苏联的一个属国。但王世杰认为，苏方这种态度“似非蓄意与我为难，其欲藉此次缔约，改进中、苏关系之心，似属相当诚挚。”

此时，苏军已经深入中国东北腹地，斯大林在外蒙古问题上的态度变得十分强硬。8月11日，宋子文致电蒋介石，表示：“恐再难强苏方让步”。但是，蒋介石一连两次回电坚持在承认外蒙古独立之前“堪定界线”，否则“外蒙问题之纠纷，仍不能解决”。