1963年4月27日，来自哈瓦那的专机不是在莫斯科而是在摩尔曼斯克着陆，卡斯特罗在这里受到米高扬的迎接。贵宾们被安排在城里游览了一大圈，参观了巨型的原子破冰船“列宁号”。次日，卡斯特罗在莫斯科受到了盛大的欢迎，成千上万的人走上街头迎接这位古巴领袖。卡斯特罗乘坐敞篷汽车在赫鲁晓夫和勃列日涅夫的陪同下，前往克里姆林宫，随后又出席了在红场举行的群众集会。“五一”劳动节这天，卡斯特罗和赫鲁晓夫一起站在列宁墓观礼台上，检阅列队行进的苏联红军。此后两位领导人到莫斯科附近的扎维多沃短暂度假，打猎消遣，同时继续进行讨论。赫鲁晓夫嗜好狩猎，而且枪法相当不错。
5月3日，卡斯特罗开始周游苏联。在此期间，他访问了乌兹别克、伊尔库茨克、斯维尔德洛夫斯克、列宁格勒和基辅。直到5月23日他才返回莫斯科，这一天在列宁体育馆举行了盛大集会庆贺苏——古友谊。这两位领导人发表了一份冗长的联合公报，他们在公报中谈到要在所有领域扩大古巴和苏联之间的合作，而且并未排除在古巴的防务合作。公报指出：
在尼基塔·赫鲁晓夫同志和菲德尔·卡斯特罗同志会谈过程中，苏联方面重申，如果古巴遭到进攻，违反了美国总统做出的承诺，苏联将会对兄弟的古巴人民履行自己的国际主义义务，向古巴提供其所要求的一切物资以保卫古巴共和国的自由和独立。那些蓄意入侵古巴的人们应当清楚，进攻古巴将使人类面临一场灾难性的核战争。
6月1日，卡斯特罗和赫鲁晓夫离开莫斯科来到格鲁吉亚，在那里度过了两天。从格鲁吉亚他们飞抵摩尔曼斯克，这位古巴总理同赫鲁晓夫分手告别，随后登上大约6周前载着自己来到苏联的那架图——114型客机打道回府。
苏联和古巴两国关系加强的同时，苏美之间的紧张关系也有所改善。古巴危机使两国领导人汲取了一个重要的教训，并且更加明确地规定了界限，一旦越过雷池，他们就不可能不冒爆发冲突的危险。毫无疑问，正是古巴危机本身促使赫鲁晓夫审慎地处理有关德国的问题。他现在再也不愿意贸然行事，去破坏本已极不稳定的现状，因为这样做也许将导致一场新的危机，而且其危险程度恐怕不亚于古巴危机。这种谨慎态度尤其表现在苏联、美国和英国签署了一项条约，由此使缔约国承担了遵守部分禁止原子弹和氢弹试验的义务，这件事意义深远。
有关禁止核试验问题的讨论已经旷日持久，但所取得的进展微乎其微。苏联坚持两点要求；她寻求全面禁止核试验，包括在地下进行的核试验此外她还要求每一个潜在的核国家都在这项条约上签字。然而，刚刚建立起自己核武库的法国拒绝参加谈判，美国显然也不想同意彻底禁止核试验。有鉴于此，美国提议对一切已知的核爆炸实行现场检查。为了表明自己所说的追求和平与国际和睦愿望的真诚，苏联政府早在1958年就曾宣布过单方面禁止一切核武器试验，并声明除非美国和英国先行恢复核试验，否则苏联决不继续进行核实验。步苏联的后尘，美国和英国也做出了如是表示。但是1961年，在柏林危机达到高峰期间，苏联首先放弃了这一暂停核试验的自愿誓约。当时，苏联刚刚研制出了一些威力特别巨大的核弹头，但尚未进行实弹试验。赫鲁晓夫一方面急于试验这些核弹头，同时又迫切希望显示苏联的军事实力，这促使他下令在北部偏远的新地岛进行一系列的核试验。苏联科学院院士安·德·萨哈罗夫作为苏联氢弹的缔造者之一，曾参与了这种武器的早期试验，日后他对这一事情做了如下描述：
关于这个问题（指核污染），世界各地都有人谈论，诸如艾伯特·施韦泽、莱纳斯·波林以及其他一些人，都曾做了大量评述。在这些言论的影响下，从1957年起，我开始注意由核武器试验产生的放射性废物所引起的问题，我对这些问题的形成所负有的责任又使我感到压力越来越大。人人皆知，地球上有成千上万的居民会吸收核爆炸产生的放射性物质，这势必又会导致各种怪病和畸胎的剧增。每次核爆炸的放射性物质尘埃都会在大气中飘逸扩散，因而每百万吨TNT当量的核爆炸都会伤害几千条无辜的生命。每一轮核武器试验，无论是美国、苏联、英国，还是中国或法国进行的，都要涉及几千万吨TNT当量的核爆炸，也就是说，会戕及数以万计的生命……我还记得1961年夏天曾安排了一次部长会议主席赫鲁晓夫同一些核科学家的会见。当时我们被告知，为对苏联关于德国问题（柏林墙）的政策提供支持，我们有必要进行新的一轮核实验。我向赫鲁晓夫递送了一张便条，其中写道：“经过三年暂停之后又恢复核试验，这将违背核禁试条约，也会妨碍裁军的进程，而且还会导致新的一轮军备竞赛，特别是洲际导弹和反导弹防御方面的竞赛。”我的这张纸条沿着一排排座位传过去，一直传到赫鲁晓夫手中。他把纸条放进上衣胸前的口袋里，然后邀请所有与会者同他共进午餐。当我们围着桌子坐定以后，赫鲁晓夫发表了即席讲话。这篇讲话直言不讳，使我终生难忘。在讲话中，他表述的一些观点含盖了其他人的主张。他讲的大意是：