孙科于1938年1月17日抵达莫斯科，受到苏联副外交人民委员斯托莫尼亚科夫（相当于外交部副部长）的欢迎。抵苏前几天，苏联方面先安排他列席了苏联最高苏维埃会议，进行了参观。1月21日，孙科同斯托莫尼亚科夫进行了会谈，双方对中苏关系交换了意见，并达成一定的共识，孙科托斯托莫尼亚科夫向斯大林和加里宁转交他带来的一些信件，并请示同这些领导人会议，斯托莫尼亚科夫欣然允诺。

2月初，斯大林、莫洛托夫、伏罗希洛夫等苏联党政军首脑会见了孙科。会见中，双方推心置腹，畅言无隐。特别是斯大林，对中国抗战的决心和勇气推崇备至，并对中国将士和民众表示无限敬意。斯大林对孙科说：“如果中国竭尽全力抗战，就不会因临时的受挫和国土被敌占领而沮丧，这样最后的胜利必定是中国。”斯大林这些鼓舞人心的言辞使孙科极度兴奋，俩人竟从午夜畅谈到凌晨5时而无倦意。在这次会晤中，孙科的最大收获是融洽了与斯大林的感情，从而更有利有争取苏援。正是此次会谈后，中苏签订了两笔各为5000万美元苏方贷款。

与斯大林会晤后，2月9日孙科又与李给诺夫进行了会谈，会谈主要由李维诺夫通报国联日内瓦会议有关远东问题的情况，孙科对苏联的支持表示感谢，并认定“苏联是给予中国援助的唯一国家”。其后，孙科2月中旬去列宁格勒进行了访问，旋即返回莫斯科参加红军建军20周年纪念活动，尔后于3月初去法国，开展抗战外交活动。

不料孙科到巴黎不久，便接到杨杰来电，催其回莫斯科。原来，苏联对中国的第一笔贷款原定为一亿法币，未及签订便已用完，蒋令杨速商订第二笔贷款，因杨当时身份仍为军方代表，不能直接会晤斯大林，故需孙来商谈。孙科返莫斯科后，立即会见斯大林。据孙科在《中苏关系》一书回忆，斯大林说，中国贷款已超过法币1亿元，可将第一次贷款改作5000万美元，相当于2亿元法币，同时再给予第二次贷款5000万美元。斯大林的慷慨及时帮助中国解决了用贷款购买军火的问题。不言而喻，这也显示孙科在对苏外交中的神通。孙科成交这两笔贷款后便重返法国，签字事宜由杨杰办理。孙科一次访苏使命至此完成。

1939年春，孙科再次访苏，主要目的是商洽苏联援华第三笔贷款。孙科于4月7日抵达莫斯科，其时欧洲局势日益紧张，英法代表团亦在莫斯科进行活动，故孙与苏首脑会见并不顺利。四五月间，孙科先后多次会晤李维诺夫、干涅兹－奥尔斯基（其时任苏联驻华全权代表，其时正在莫斯科），要求会见斯大林或莫洛托夫和伏罗希洛夫，苏方则表示苏方首脑事务繁忙，会见屡屡延期。孙表示不安，电告蒋，蒋回电：“请兄忍耐进行，继续交涉，以期有成。”