斯大林同意了蒋介石的要求。1945年8月14日，《中苏友好同盟条约》在莫斯科签订，宋子文拒绝签字并提出辞职，王世杰接任外交部长，代表中国签署了这份条约。第二天，日本宣布无条件投降。

条约既成，之后的事情就无可挽回了。1945年10月20日，外蒙古举行公民投票，蒋介石派内政部常务次长雷法章前往“观察”。蒋叮嘱雷：“只是观察，不得干预，也不要发表任何言论。”

而雷法章事后描述他所“观察”到的投票情况：“此项公民投票据称为外蒙古人民重向世界表示独立愿望之行动，实则在政府人员监督下，以公开之签名方式表示赞成独立与否，人民实难表示自由之意志。”投票结果显示，共计49万选民，98%参加投票，一致赞成外蒙古独立。

1946年1月5日，国民政府宣布，承认外蒙古独立。

国民党政府在联合国唯一一次反对票

1949年，蒋介石败退台湾，他对斯大林没有信守“不援助共产党”的承诺耿耿于怀。1952年，蒋介石一纸诉状告到联合国，指责苏联违约，要求废除《中苏友好同盟条约》。联合国确认苏联违背了条约规定，裁定条约无效。

1953年，在国民党“七大”上，蒋介石宣布不承认外蒙古独立，并就此作出沉痛检讨：“承认外蒙独立的决策，虽然是中央正式通过一致赞成的，但我本人仍愿负其全责。但我在当时，对外蒙问题唯有如此决策，或有确保战果，争取建国的机会。这是我的责任，亦是我的罪愆。”

可此时的国民党，早已无力收回外蒙古。1950年，毛泽东出访苏联，与斯大林签订《中苏友好互助同盟条约》，这份条约也承认了蒙古人民共和国的独立地位。

1955年8月，有18个国家申请加入联合国，其中就包括蒙古人民共和国，这是美苏两国已经达成默契的意见。然而此时，作为联合国五个常任理事国之一的中国，合法席位仍属台湾当局，蒋介石终于有了“出口气”的机会，投票前他就坚定表示，反对蒙古加入联合国。

这时的美国总统艾森豪威尔赶紧致信蒋介石，建议他不要反对蒙古加入联合国：“可以不投赞成票，弃权即可……这对我们双方都十分重要。”

蒋介石没有同意艾森豪威尔的建议。眼看投票日期临近，艾森豪威尔再次给蒋介石写信，声称蒋如果“滥用否决权，将是对安理会大多数成员意愿的对抗”。这种警告式的口吻激怒了蒋介石，第二天蒋就发布声明，宣布要投反对票，并且说到做到——在1955年12月13日的联合国大会上，由于中国投下的反对票，蒙古没能如愿加入联合国。

蒙古“入联”是在1961年。这一年，迫于国际压力，尤其是在与大陆政权争夺联合国合法席位的形势下，台湾当局妥协了，没有参加这一年的大会投票。1961年10月27日，联合国大会通过1630号决议，接纳蒙古加入联合国。