在达成关于谈判议程协议的同一天，谈判进入关于军事分界线问题实质性的讨论。
中朝方面把关于军事分界线问题的谈判，看成是谈判各项议程中的核心问题。根据美方在关于议程的谈判中毫无诚意并横生枝节的表现，估计到关于军事分界线问题的谈判会更加艰难，会有一场更为激烈的舌战。正像预料的那样，美方代表团完全不讲理，几乎不是在谈判，而是在炫耀武力。
在关于军事分界线的实质性问题谈判中，朝中代表团再次提出了以三八线为军事分界线的建议，并阐述了这一建议的合理性，指出：三八线是举世公认的军事分界线，是历史事实，也是停战谈判的基础；战争所以爆发，正是因为交战的一方首先破坏了三八线的分界线，要表明双方停战的诚意，就必须确定以三八线为军事分界线；1951年1月以来，双方的战线4次摇摆于三八线南北地区，这表明该线基本上反映了双方的军事实力，目前双方在三八线南北所占地区略近相等，并且在实际停战以前，战线仍是不稳定的。因此，以三八线为双方军事分界线，是合理的，是符合历史和双方实际情况的。美国当局在谋求谈判时，也有过这样的表示。
然而，美方代表团认为朝中代表团在关于议程问题的谈判中一再让步是软弱的表现，因此显得更加傲慢无礼，不但置美国当局曾做过的表示于不顾，坚决拒绝朝中方面以三八线为军事分界线的合理建议，而且狂妄地炫耀其海空军“优势”，无理地要求这种优势要在军事分界线的确定上得到“补偿”。
美方首席代表乔埃，在7月27日的谈判会中说：地面部队的战线，不能反映双方军队的实际力量，“联合国军”具有海空军“优势”，“贵方对海空军的威力是充分领会的，因此，必须对海空军部队给予地区作战的影响以适当的估计”，“‘联合国军’以其空军力量与海军力量所控制的广大区域，它包括了全部北朝鲜从目前军事接触线直至鸭绿江和图们江，你方在朝鲜没有可以相比拟的地位，换言之，你方将部队撤到大致通过平壤与元山的线以北时，所放弃的优势将完全比不上‘联合国军’将其空军与海军力量从北朝鲜撤退时你方所获得的优势”。28日，乔埃在谈判会中又说：“在选择非军事区时，我们必须要考虑地形和联合国陆海空军的潜力。但是，我方已经提议撤退我方的海空军，为了这些让步，我方应得到补偿。”为此，美方代表团还标定了一份他们所要求的军事分界线的地图，将军事分界线划在了志愿军和人民军后方数十公里的地区。按这条军事分界线，志愿军和人民军将从当时的双方实际接触线退出1.2万平方公里地区。
对此，28日，毛泽东致电李克农并告金日成、彭德怀，同时也通报给了斯大林，指出：
（一）乔埃发言狂妄荒谬，完全是战场上的叫嚣，并非在谈判停战。你们准备的发言，必须首先质问其有无谋和诚意，是谈判停战，还是在准备扩大战争的根据，然后再痛驳其所谓海空军给予地面作战的影响及地面停战而海空不停战的奇谈。前者，有去年败退至大邱、今年败退至南汉江的两次战例，可证明海空军给予地面作战的影响如何；后者，如对方真有此想，宁复有丝毫谋和诚意。
（二）从乔埃的发言看来，我方在目前必须坚持以三八线为军事分界线的主张，并以坚定不移的态度，驳回其无理要求，才能打破敌人以为我可以一让再让的错觉。对于这一点，可以让它争论下去，也许要僵持几天，敌人才会重新考虑。如果敌人决心在这个问题上破裂，发表出去，他将完全陷于被动。
据此，在28日的谈判中，朝中代表团对美方的狂妄无理，进行了针锋相对的驳斥。8月1日，毛泽东再电李克农并告金、彭指出：这个问题双方争论已达六日之久，“我方理直气壮，已取得有利形势”，估计对方可能企图继续坚持下去，或逼我提议争论之外的另一条线，或他们提出先讨论下一项议程。“我们对此，应不管敌人企图如何，仍坚持依照程序首先解决以三八线为双方军事分界线的问题，即使继续僵持下去，也仍然对我有利。因我方主张以三八线为分界线是公开的、合理的，而且是这次停战谈判的基础，敌人却不敢公开自己的提议，而只能消极地反对三八线。如果僵持久了，敌人以原有阵地以北作为分界线的提议公布出去，极大可能会引起世界多数舆论的惊异和责难”。
美方代表百般无理狡赖，8月11日，乔埃又荒唐可笑地提出了与其海空军“优势”自相矛盾的理由，来支持其关于军事分界线的主张。乔埃说：你方地面部队具有强大的优势，并且这种优势还会增加，而美方地面部队不具备这种优势，因此美方地面部队必须要有一定深度的天然防御阵地。乔埃这种理论简直不值一驳。南日一针见血地指出：你们用“两种互相冲突的理由来支持你的方案，难道你们不觉得滑稽可笑吗？你们说你们海空军强，所以你们应有所补偿。现在你们承认你们陆军弱，但你们又说应有补偿。不管你们强弱，你们都需有补偿，这不是一种失去理智的瞎说么？”
美方在谈判中也不再提其原来对分界线问题的主张，并暗示对这个问题所提方案可以进行调整，乔埃表达了大体按当前战线确定非军事区的愿望。毛泽东、周恩来根据李克农的报告分析认为：如果对方放弃其原来关于军事分界线毫无根据和极不正确的主张，承认以当前战线作为划分军事分界线的基础并加以调整的情况下，则我方可以提出修正案，我方提出的三八线就是最佳调整方案，这一方案基本符合当前双方的军事实际。“将三八线定为双方军事分界线的基线，依此基线建立非军事地区，双方可不必一律向后各撤十公里。可依地形便利，‘联合国军’在临津江东三八线以南后撤少于十公里，在临津江西三八线以南则仍后撤十公里；朝中部队在临津江西三八线以北后撤亦可少于十公里，而临津江东三八线以北仍后撤十公里。”毛泽东于8月11日7时电示李克农，在提出这一方案之前，只先表示我们愿作调整，观察对方对此的态度，再决定是否提出这一方案。
然而，在8月12日的谈判会上，对方显得更加蛮横无理，不但拒绝以三八线为军事分界线的基线，而且企图将谈判陷于僵局的责任强加给朝中方面。李克农在当日给毛泽东的电报中对谈判发展形势和美方的基本底盘作了分析，并对朝中方面在分界线问题上的立场提出了建议。李克农在电报中说：
从开会以来对方所一再表示的态度及会外总的形势看，要对方接受三八线的方案是不可能的。这几天来，对方一方面固然在对我施行压力，企图压迫我方首先让步，但另一方面亦未尝不是为可能的破裂作准备。因此，我们觉得必须对三八线问题作一个决定，如我们的底盘是必须争到确定以三八线为军事分界线的原则，只容许在这个原则下作这种或那种调整，我们就必须作决裂的打算与准备。不然我们就应该有一个明确的妥协方案。我们过去所提的那个折中方案，固然不能照顾目前情况的各种发展可能……
我们（李、邓、解、乔）估计对方最后的盘子是老实地就地停战加上若干不大的调整。因此我们就必须决定争三八线而准备破裂呢？还是为避免破裂争取停战而考虑就地停战加上若干不大的调整呢？我们根据有限材料考虑了总的世界情况、国家的需要以及朝鲜不能再打下去的实际情况，觉得与其争三八线而破裂，不如考虑就地停战加上若干可能争得到的调整而实现停战，从而争取三年至五年准备力量的时间。自然如果对方根本不放弃其现有荒谬方案，我们也觉得只有采取破裂之一途。我们几个人所见有限，考虑不周，请速予指示，以便遵循。
13日，毛泽东在给李克农并告金日成、彭德怀的回电中指出：
（一）根据敌人这些天在会内会外宣传的矛盾情形看来，敌人所不愿接受的是三八线，但他也不敢公开他所提议的深入我阵线以内的军事分界线及非军事区的具体主张，而只含糊其辞地表示愿就现有战线及军事形势讨论军事分界线及非军事区问题，并作可能的调整。由此可见，敌人原来的提案只是为的换取我在三八线的主张上让步。至于敌人的真正盘子，就地停战加上不大的调整固然是他所求，但如果依地形及军事形势划一条线在三八线南北附近，即临津江以东划在三八线以北，临津江以西划在三八线以南，南北地区大致相等，而名字就叫军事分界线，大概敌人也就有可能准备接受，不过敌人不会自己提出，总想引我方提出对三八线的修正案以利其讨价还价，故他在八月十日公报上，说我们拒绝讨论三八线以外的任何分界线，暗示他并不拒绝讨论。关于这样一种设想，现在还不能肯定，望我方谈判代表团加以研究，并请金首相予以考虑。
（二）关于目前谈判的策略，你们应该针锋相对地将谈判的重点放在反对敌人的原有方案上头，而少提自己的主张，逼使敌人不能不答复你们的问题。在争论中，也可不再重复自己的主张，而着重批驳敌人的方案及其含糊其辞的主张。其目的，在引出敌人放弃或修改其原来的方案，并且只要对方再表示就现有战线讨论军事分界线及非军事区问题，我们就应指出敌人的原来方案已不能成立，要求敌人提出具体主张。不论敌人是承认放弃或修改其原来的方案或是更提出就现有战线划分界线的主张，到那时，你们就可提出我们八月十一日七时电告的方案。很可能，敌人仍不会接受，但我们在争论中就应该将三八线与现有战线联系起来，并将军事分界线与非军事区也联系起来，以便为下一个原先商定的折中方案做伏笔文章。采用这样谈判策略，引致敌人接近我方所设想的方案，敌人在宣传上将失去主动。
在以后的几天里，朝中代表团本此精神在谈判会上进行舌战。15日，美方建议双方各以1名代表和两名助手（含翻译）组成小组委员会就第2项议程（关于军事分界线和非军事区问题）交换意见，以摆脱在代表团大会上的僵局。朝中代表团准备同意。李克农将此报告了毛泽东、金日成和彭德怀，同时提议，在朝中方面对此作出答复时，宣布毛泽东11日7时电告的方案。代表团的提议获得批准。在16日的会上，朝中代表团继续驳斥了美方原有方案，指出如果美方不放弃原来方案和不研究朝中方面的方案，无论如何改变谈判的形式，都不可能取得进展，而后表示原则同意组成该项议程的小组委员会，并第一次宣布以三八线为界的非军事区可以根据地形和双方意见予以调整。17日，双方组成了第2项议程小组委员会，继续讨论军事分界线问题。
同日，毛泽东致电金日成并告彭德怀、李克农，就朝中方面关于军事分界线的立场，在13日致李克农电报的基础上，进一步提出了如何将三八线与现有战线联系起来，将军事分界线与非军事区联系起来的具体设想，指出：
除非敌人决心破裂，否则，他只能在三八线和就地停战两个问题上得到一个让步。因此，我们设想，如果在三八线南北附近依地形及军事形势划一条线，即临津江以东划在三八线以北，临津江以西划在三八线以南，南北地区大致相等，而名字就叫军事分界线，不要提三八线；非军事地区也以这条线为基线，临津江以东敌人从现阵地退到这条线上不再后撤，我方停在现阵地上不后退也不前进，临津江以西我方从现阵地退到这条线上不再后退，敌人在现阵地上不后退也不前进。如此，从政治意义上说，这条线当然不是三八线，但仍然在三八线南北附近，而且双方保持的南北地区又大致相等，亦不束缚将来朝鲜问题的政治解决；从军事意义上说，敌人可以退守他所预定的堪萨斯防线附近，而我们在临津江以东仍守住现阵地不动，在临津江以西无须后退至三八线，双方退出地区均成为非军事区，于是军事分界线与非军事区也就结合在一起了……
这样一个方案，敌人很难基本反对……
如你同意上述方案，则我方代表团在谈判过程中拟令其分三个步骤求得与敌人达成协议。
因在6月上旬，金日成到北京与毛泽东确定与美方举行停战谈判时，就考虑过最终的结果可能就是现地停战，因此，金日成表示同意。
然而，正如毛泽东在13日电报中所估计到的，在小组委员会的讨论中，美方得寸进尺，非但对朝中代表团宣布的以三八线为界的非军事区可以调整的提议不感兴趣，而且又重新提起了海空军优势“补偿论”。鉴于美方代表的这种态度，李克农决定朝中方面在谈判中也暂不作进一步退让。
18日，邓华以个人名义致电彭德怀并转毛泽东，对朝中方面关于军事分界线的立场提出几点考虑，认为：能争取和谈成功，是于全局有利的，而且是目前正确的实事求是的方针；达成协议要从实际出发，以公平合理为原则，能争取毛主席17日所示的底盘成交最好，但经谈判中观察，这一底盘恐难成交，对方的最低底盘可能就是现地停战。如此，则现地停战对我方也不吃亏，因临津江以西三八线以南面积虽小，但人口、财富俱较多，军事上敌阵地离元山近，有利其登陆进攻，而我方阵地离汉城更近，也易抚敌侧背；此种方案，对方说是现地停战，我方也可说是三八线地区调整的停战，因东面三八线及其以北地区为敌所有，而西面三八线及其以南地区为我所有；总的方针既定，小的方面似可不必过于计较；我方虽考虑再经过两三个战役，将敌打过三八线，但一则根据我军现有装备状况能否打过去？二则即使打过去也要付出重大代价。因此，这次应尽可能谈好，除非敌人连现地停战也不接受，再坚决打下去。
22日，朝中代表团对谈判情况作了分析后，以代表团名义致电毛泽东、金日成和彭德怀，提出：对方反对三八线方案，主要原因是政治的，我方坚持三八线方案也是基于政治上的考虑，既然我们已准备放弃以三八线为严格的军事分界线的主张，也就允许对方部队留在三八线以北，这样我们提出并争取以三八线为基础进行调整的方案，从政治上说似也无大的意义，并且一旦对方提出就地停战，则我方将陷入被动。如此，我方似可不必待对方放弃原有方案，即可提出我方接近于就地停战稍加调整的方案，造成对方没有拖延的借口。这个方案我们在政治上、经济上、军事上都不吃亏，并同样可以说是以三八线为基础的方案，反正是各说各的，这样说那样说实际上只是个说法问题了。
然而，8月18日，李奇微为配合其代表团的谈判，对朝中方面施加军事压力，以其地面部队向在北汉江至东海岸一线防守的朝鲜人民军发动了夏季攻势，同时以其空军摧毁朝鲜北方铁路系统为主要目标发动了“绞杀战”，并连续在开城中立区制造破坏挑衅事件。19日，派遣武装特务进入开城中立区袭击警卫开城中立区的志愿军军事警察；22日夜，美军飞机扫射开城谈判会场区朝中代表团住所，而美方代表在调查中又百般否认。鉴于此，23日，毛泽东两次致电李克农并告金日成、彭德怀，指出：此次敌机夜袭，其意甚明，我必须不怕破裂，予以坚决回击。我方应于今日提出暂时停开谈判会议，以压敌人气焰。同时，我军在军事上应加紧准备迎击敌人的可能进攻。据此，朝中方面宣布，从8月23日起，谈判会议停开，以待美方对其飞机8月22日扫射朝中代表团驻所事件作出负责的处理。
25日，毛泽东致电李克农并告金日成、彭德怀，指出“代表团的任务是谈判兼打文仗”，目前，无论对方是破裂还是拖延谈判，我都应从积极方面做文章，进行有利的宣传斗争，沉着应变，主动作战，以观其变化。27日，毛泽东致电斯大林，对以后的谈判形势作了估计，认为有两个发展可能：“一个是拖延破裂。我们已在加紧准备迎接敌人可能的正面军事进攻，同时也严防敌人从朝鲜东西海岸的港口登陆”。“另一个可能是，敌人在拖延中寻找转弯的办法，并在军事分界线的问题上求得妥协。目前，我们准备在停会期间与敌人进行宣传战，以揭露敌人无耻下流的挑衅罪行”，待“敌人有意重开谈判的表示，我们拟主动提出一个转弯办法，促其接受”。29日，斯大林复电，表示同意。