当主席团开会时，唯一的正式议程就是“决定与古巴和柏林问题相关的进一步措施”，这再次证明这两者在赫鲁晓夫的心里有着潜在的联系。除了正式与候补成员外，中央委员会书记以及外交部和国防部的最高官员也参加了会议。赫鲁晓夫走进会议室时“脸色通红，显得很焦虑”。在向大家通报了肯尼迪即将发表讲话以及他推断这可能与古巴有关后，赫鲁晓夫看着马利诺夫斯基，咕哝道：“你干的好事，”他的手势使得这位身高体胖的元帅想站起来为自己辩护，“没有什么可说的，你坐下。”
马利诺夫斯基努力想让赫鲁晓夫冷静下来。“我认为他们不可能马上采取什么行动。”他说。如果美国要入侵古巴，那他们需要“24小时进行最后的准备”。但是赫鲁晓夫无法平静下来，他开始作事后评论说：“问题是我们不想引发战争。我们只是想胁迫他们，遏制他们派兵入侵古巴。”他提及了两个“困难”：“我们还没有部署好所有我们想部署的武器，还有我们没有公布［苏联-古巴］条约。”他说，这是个“悲剧”。不是阻止战争，他的高招反而可能会引发一场战争。“他们可以攻击我们，”他怒吼道：“但我们会做出回应。最后这可能会变成一场大规模战争。”作为最后的一招，他说克里姆林宫可以宣布“所有的装备都属于古巴，古巴人可以宣布他们将对美国人的挑衅做出反应”。当然，不会允许卡斯特罗对美国威胁使用中程导弹，但他可以威胁“使用战术核武器”。
真正的问题是苏联人是否已经做好了使用原子弹的准备。事实上，他们并不确定。在等待肯尼迪发表讲话时，主席团起草了一份给普列耶夫的命令，目的就是为了避免因偶然因素而触发核战争：如果美国入侵，苏联和古巴军队可以运用一切手段“摧毁敌人，除了处于斯塔茨森科（Statesenko）和白波罗多夫（Beloborodov）控制之下的装备”。伊格尔·斯塔茨森科少将指挥着中程导弹，尼古拉·白波罗多夫上校掌控着核弹头。后来主席团又进行了修改，授权普列耶夫可以使用战术核武器，但没有莫斯科的直接命令，不能攻击美国。后来，主席团又改变了主意，发出了第一份命令，收回了第二份。
在肯尼迪发表讲话前大约一个小时（此时莫斯科时间为凌晨1时），苏联外交部通过电话得到了他讲话的英文材料。特罗亚诺夫斯基为主席团进行了翻译。特罗亚诺夫斯基记得，赫鲁晓夫听了以后的第一反应是“放松，而不是担忧”。封锁似乎“是一个模糊的概念，由于肯尼迪总统用的‘隔离’一词，这就更让苏联人摸不着头脑了。但是无论如何，这看起来不像是最后通牒，或是对古巴发动攻击的直接威胁”。赫鲁晓夫的情绪马上从惊慌转向了得意洋洋。“我们拯救了古巴！”他大声宣布。接着他马上开始向好像受到蒙蔽的肯尼迪总统起草回应稿。
赫鲁晓夫的信于当天晚些时候发出，他在信中称肯尼迪的行为“是对和平与安全的严重威胁”，是对古巴和苏联国内事务“赤裸裸的干涉”。他要求肯尼迪“放弃你追求的行动，因为这可能会给全世界的和平带来灾难性的后果”。赫鲁晓夫于子夜时分当着同事们的面口授了回应信件的初稿。外交部于中午前拿出了最终的文稿。与此同时，赫鲁晓夫敦促他的同事们晚上留在克里姆林宫里，防止外国记者或是其他打探消息的人发觉他们在召开紧急会议，得出苏联领导人很紧张的判断。没有人对之提出反对意见，尽管其中有一半的人在克里姆林宫没有办公室。赫鲁晓夫在他办公室套间的床上休息，而那些平常在中央委员会办公大楼工作的人只好在主席团会议厅的椅子上休息。
当睡眼惺忪的代表们于上午10点重新开会时，赫鲁晓夫的助手大声宣读了修改后的给肯尼迪的信以及部长会议的声明草稿。声明没做什么修改就通过了，对给肯尼迪的回信又作了进一步的修改。库兹奈索夫于下午3点10分将赫鲁晓夫的信交给了科勒尔。50分钟后，莫斯科广播电台广播了苏联政府的声明，声明向苏联人民通报了美国人的行动（但没有表明美国人的行动是对苏联部署导弹的反应），宣布了军事上的应对措施，包括取消军人休假与退伍安排，并提高了整个武装部队的作战战备等级。
在抵抗了肯尼迪的最初一击后，赫鲁晓夫来到剧院看戏。按照原先的安排，他当天晚上将陪同一个来访的罗马尼亚代表团到波尔索伊剧院观看美国版的“伯里斯·戈杜诺夫”（Boris Godunov）。为了掩盖他内心的焦虑，他没有取消这次安排。演出结束后，他还象征性地到后台对美国艺术家表示了欢迎。但是在去剧院前到家里作短暂停留时，他显得精疲力竭，声音听起来也闪烁不定。他告诉谢尔盖说，很显然美国人已经发现了导弹，但对他们知道多少并不清楚。也许他们依据的只是谣言。但是从另一个方面来看，如果没有充分的证据，那他们为什么会做出如此强烈的反应呢？
父亲对这样的紧急情况并没有预案，谢尔盖对此感到很吃惊。赫鲁晓夫暂时的反应就是加速进行导弹部署。只是到了现在被发现以后，苏联人才对导弹部署地点进行了伪装。在10月22日前，赫鲁晓夫对普列耶夫将军的表现一直是大加称赞的，在此之后，这种赞扬声就没有了。赫鲁晓夫担心在封锁生效前，两艘装载着核弹头的不太显眼的货船不能抵达古巴；他担心苏联舰船有可能会被拦截在海上。当谢尔盖10月23日问是否真的会爆发战争时，赫鲁晓夫回答说：“用核武器进行威胁是一回事，真的使用又是另一回事。”这就是他的信条，而且他指望美国人也会同样遵守这一信条。但是美国人是否会像他所想象的那样，他并不能肯定。
华盛顿的肯尼迪总统也不是很有信心。没有出现最糟糕的局面，他对此也感到庆幸，但是下一步怎么办？如果U-2飞机在古巴上空被击落，那美国将摧毁苏联导弹基地，但是这会将事态导向何方？就在此时，中央情报局报告说古巴岛上及其周围出现了令人迷惑的情景：苏联船仍在加速向古巴方向靠近，导弹设施建设仍在继续进行，但是苏联与古巴的军用飞机却成排地停放着，好像是等待美国发起空袭，对之予以摧毁似的。
赫鲁晓夫给肯尼迪总统的信于10月23日下午送到了白宫。当天晚上，肯尼迪发出了一份简短的两段文字的回应。肯尼迪呼吁双方都保持克制，并要赫鲁晓夫注意定于第二天早上生效的隔离行动。
10月23日晚上，多布里宁大使没有收到莫斯科的任何指示，这说明克里姆林宫内产生了混乱。苏联驻非共产主义国家的使节直到24日才收到了苏联关于相关情况的正式通知。多布里宁于10月23日向莫斯科通报说，美国人“已经开始紧张起来”，并“准备考验苏联人的力量与意志”。同一天晚上，罗伯特·肯尼迪在苏联大使馆的三层大使办公室拜访了多布里宁。根据多布里宁提供的情况，罗伯特·肯尼迪“显然心神不定。他不停地重复着自己说过的话，还经常不着边际”。肯尼迪说他兄弟“将他的政治生涯押宝在”苏联关于古巴问题的保证上。在他的逼迫下，多布里宁不得不承认甚至他事先都没有得到关于导弹部署的消息。他说，其结果是两位领导人之间重要的私下沟通渠道现在被破坏了。肯尼迪在离开前问苏联舰长们对隔离会做出何种反应。他们“不会遵从任何人不合法的命令，他们不会在公海上任人拦截或是登舰检查”，多布里宁回答说。
“我不知道这会带来什么结果，”肯尼迪说：“因为我们已经下定决心要拦截你们的舰船。”
“但是那将是一种战争行为。”多布里宁回答说。肯尼迪摇了摇头，转身离开了。
“经过一番犹豫，”多布里宁回忆说，他向莫斯科汇报了他与肯尼迪的谈话，“我将罗伯特·肯尼迪所有严厉的声明逐字逐句地报告了莫斯科，包括那些赫鲁晓夫和葛罗米柯根本不希望听到的话。我想让莫斯科方面明白美国总统核心集团内的不安状态……好让克里姆林宫能对华盛顿的紧张气氛做出总体的评估。”多布里宁后来得知葛罗米柯向赫鲁晓夫口头转达了他的报告（可能删去了罗伯特·肯尼迪关于苏联人撒谎的严厉批评），但没有通报给领导层的其他成员。[10]但是莫斯科方面没有做出任何反应的更深层次的原因是赫鲁晓夫本人一直处于“紊乱的状态”，这是库兹奈索夫10月28日来到纽约时向美国使馆的高层官员们透露的。不知道该怎么办，赫鲁晓夫只好用“10月23日与24日的强硬声明”来“掩饰”他内心的困惑。
多布里宁后来将10月24日，星期三，称为他在美国担任大使将近30年里最“难忘的”一天。罗伯特·肯尼迪回忆说，10月24日早上是“美国总统最为担心的时刻”。当执行委员会成员等着看苏联舰船是否会折返回去时，“［约翰·肯尼迪］一手扶着头，接着捂着嘴巴，后来又攥起拳头。他眉头紧锁，我们只好隔着桌子相互对视着”。
华盛顿时间上午10时，隔离正式生效，美国战略空军司令部将戒备状态由三级改为二级，这是仅次于全面战争状态的等级。有史以来第一次，美国所有的远程导弹与轰炸机此时都已经处于戒备状态，几十架携载着原子弹的飞机实行全时留空，由空中加油机补充燃料，在格林兰和加拿大北部上空等候对苏联目标发起攻击的信号。为了确保苏联人注意到这一情况，战略空军司令部司令托马斯·鲍威尔将军亲自以明码通讯向他的下属“宣布”行动方案。
与此同时在莫斯科，理查德·戴维斯于上午6点向苏联外交部递交了正式隔离命令。在走向位于苏联外交部摩天大楼高处的美洲司时，他看见一个人戴着防毒面具，这是一种像二战时期滤毒罐那样的装置，看上去好像是从谁的地下室里翻出来的。这是不是苏联人故意向华盛顿显示苏联外交部已经处于战争状态？戴维斯回忆说，他接触的那些“平时言谈举止都相当粗鲁的”苏联官员当天突然变得“异乎寻常的礼貌”，不停地打电话（这本身也是不正常的）问他：“戴维斯先生，戴维斯夫人好吗？孩子们好吗？您感觉怎么样？一切都好吗？在我们国家还习惯吗？”
如果锈蚀的防毒面具是苏联对美国二级戒备状态的一种回应，那赫鲁晓夫本人的表现也强不到哪儿去，还是威胁与让步并用。[11]就在前一天晚上，他还下令苏联舰船继续前进（如果受到攻击，潜艇可以开火反击），但是在得知多布里宁与罗伯特·肯尼迪的谈话后，他就不是那么有把握了。在10月24日早上的主席团会议上，他建议停止至少一部分舰船的行动。他说，尽管中远程导弹还没有运抵古巴，但所有必要的武器都已经到达了。当天晚些时候，他对是否让油船继续前进产生了犹豫，而油船在军事上具有特别的重要意义。就在美国划定的最后期限前，最靠近隔离线的苏联舰船不是停了下来，就是调转了航向。
当天下午早些时候，当时正在莫斯科讨论有关专利问题的西屋电气国际公司总裁威廉·诺克斯被召唤前去与赫鲁晓夫会面。两年前，赫鲁晓夫曾在纽约见过他。赫鲁晓夫“平静、友好而坦诚——没有任何表演的成分”，但是显得“很疲惫”。他的话显示出了内心的愤怒与担忧，同时也显示出他还拿不定主意，是对肯尼迪做出保证，还是对他发泄怒火。就在他下令舰船返回时，赫鲁晓夫警告诺克斯说，如果美国舰船试图拦截苏联船只，他会下令苏联潜艇击沉它们。在欺骗了肯尼迪后，赫鲁晓夫还抱怨说美国总统背叛了他。赫鲁晓夫说，即使是艾森豪威尔也会以一种更成熟的方式处理当前的局势。“我如何才能与一个比我自己的儿子还年轻的人打交道？”赫鲁晓夫问道。[12]
他找不出什么好的办法。两天后，苏联驻联合国大使左林（Zorin）仍在否认苏联在古巴部署导弹。而赫鲁晓夫向诺克斯保证说这些导弹处于苏联人的控制之下，而不是古巴人。赫鲁晓夫坚持说：“我对摧毁整个世界没有兴趣，但是如果我们大家都想在地狱里会面，那完全是你们的事情。”不过，他实际上是恳求与美国总统进行会谈，他说：“我会很乐意在莫斯科接待他，我也很乐意到华盛顿去访问他，我们甚至还可以乘海军舰艇，在海上会面，或者我们可以在某个中立地点会谈，不用大张旗鼓，但可以解决我们两个大国之间的一些重要问题。”
同一天，赫鲁晓夫给肯尼迪发去了又一份措辞强硬的信件。“是谁要求你这么做的？”他质问道，好像这位年轻的总统不能自作主张似的。肯尼迪“发出最后通牒”，想“胁迫我们”，但是“你内心里还是承认我是对的。我相信，如果你处于我的地位，你也会做出同样的决定的。……设身处地从我们的角度来考虑，想想美国该如何对这种局势做出反应”，不能从对方的角度来考虑问题是导致此次危机的关键。赫鲁晓夫警告说，苏联永远不可能接受美国的封锁，然而几个小时后，他还是接受了眼前的事实。不过就在同时，部署导弹的全面工作仍在继续进行。