開羅會議結束之後，羅斯福和丘吉爾就馬不停蹄立刻趕往德黑蘭，準備與斯大林進行重要會談。在此之前，美、英兩國希望能在開羅召開會議，但被斯大林以遠離蘇德戰場為由拒絕。他認為會議在德黑蘭舉行，自已不僅可以就近指揮蘇聯紅軍作戰，而且三國在伊朗都駐有軍隊，安全上是有保障的。但由於當時德黑蘭已成為一個國際性的間諜中心，出於安全上的考慮，三國領導人分別下榻在自己國家的駐伊使館內。
1943年11月28日，代號為“尤里卡”的德黑蘭會議正式拉開序幕。除羅斯福、丘吉爾和斯大林之外，霍普金斯、艾登、莫洛托夫以及三國軍事領導人均出席會議。會議期間，蘇軍已開始轉人戰略大反攻，英美盟軍在解放北非後也攻人意大利南部，太平洋上的美軍也轉人反攻，所以三國首腦在會議期間心情非常不錯，討論的進程也比較順暢。關於在歐洲開闢第二戰場的問題，斯大林希望美、英兩國能履行之前對蘇聯提出的相關承諾，並強調從法國攻人德國是最直接最有效的路線。因為意大利離德國心臟較遠短期內難以對 德國形成威脅，也難以減輕蘇軍身上的重擔。但是丘吉爾仍然堅持自己的意見，認為應在德軍防守薄弱的地中海地區實施對德進攻。此時羅斯福對丘吉爾的用意看得十分清楚，後來他對朋友私下聊道:“當丘吉爾為他人侵巴爾幹的主張辯護時，房間裡每個人都明白他的真正用意何在。他迫切想攻人中歐，使蘇軍無法進人奧地利和羅馬尼亞，甚至匈牙利也不讓蘇軍進人。斯大林明白這一點，我明白這一點，每個人都明白這一點。” 這一次， 羅斯福站在斯大林一邊，同意盟軍橫渡英吉利海峽攻人法國進而直取德國柏林的計劃。經過數次激烈的爭論，三國首腦最終達成在1944年5月發動“霸王行動”的決定。
德黑蘭會議的另一個重要議題是戰後如何處置德國。羅斯福認為應把德國分劑成5個部分，另將基爾運河地區和魯爾一薩爾地區劃歸國際共管。丘吉爾表示完全贊成分割德國，但只應劃出東普魯士，並另劃出德國南部諸省與奧、匈等國組成“多瑙河聯邦”。斯大林強調對德國進行實質上的分割，而不是隔靴搔癢式的分割。另外，三國還就波蘭的疆界問題展開熱烈討論。
關於建立未來國際組織的問題，也是會議討論的重要問題。羅斯福提出建立三重性的機構:一是由聯合國家各成員國組成的具有廣泛性的大會;二是由蘇、美、英、中4個大國加上若千個地區推定的國家組成的執行委員會;三是擁有采取行動實權的蘇、美、英、中組成“四警察”機構。斯大林和丘吉爾最初傾向於建立區域性機構，後來表示同意羅斯福的意見。此外，美、英兩國還對蘇聯參加對日作戰的條件進行了試探。斯大林暗示蘇聯要取得整個庫頁島、千島群島和在遠東的一一個不凍港。針對他的提議，羅斯福提出可將中國的大連作為國際自由港的建議。於是，斯大林馬上答應在歐戰結束半年之後參加對日作戰。
1943年12月1日，三國政府正式發表《德黑蘭宣言》，宣稱:“蘇、美、英三國首腦經德黑蘭會議擬定並且認可了共同政策，三國決心在戰爭方面以及在隨後的和平方面，都將共同工作”，在戰爭方面，“議定了將德軍消滅的計劃和將從東面、西面和南面進行軍事行動的規模和時間”，在和平方面，確信“協力同心將導致一” 種永久的和平”，蘇、美、英三國以及所有聯合國家對此負有至上的責任;在戰後的合作方面，“將力求所有大小國家的合作和積極參加”。宣言最後宣稱，世界上沒有任何力量能阻擋我們粉碎德國的頑抗，並堅信世界人民共享自由生活的一天終將到來。
德黑蘭會議確立了開闢歐洲第二戰場的時間表， 使得美、英、蘇三國在反法西斯戰爭中的軍事合作達到頂峰，對促進全世界範圍內反法西斯戰爭的最終勝利起到了積極作用。
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