1939年7月10日，周恩来骑马过延河时，江青嫌周恩来等一行骑得慢，挥鞭让马强行从中间跑过，致使周恩来从受惊的马背上跌落，造成右臂骨折。
受伤以后，周恩来忍受着剧烈的疼痛步行来到党校会客室，由中央卫生处派来的医生做了简单的包扎，打上了石膏。当时延安的医疗条件很差，尽管做了力所能及的处理，还是没有接好。直到8月18日，3位印度大夫再次对周恩来的病情进行了检查，取下石膏后才发现骨折处的愈合很不理想。他的肘部已经不能活动，右臂肌肉开始萎缩，已无法伸直，只能处于半弯曲状态。于是中共中央决定送周恩来到苏联治疗。
周恩来于8月27日离开延安，然后乘蒋介石派来的道格拉斯专机去兰州。
周恩来等人在迪化（即乌鲁木齐）滞留大约一周左右，后乘苏联专机赴苏。这是他第一次来新疆。当时在新疆的盛世才对苏联和中共的态度正在发生急剧的转变，从公开宣布实行“亲苏”政策，多次给中共中央和中共驻共产国际代表王明写信要求加入中国共产党，转而对中共采取限制和敌视的政策，特别是他和中共驻新疆代表邓发之间的关系迅速恶化。当时在新疆的毛泽民亦曾向共产国际和党中央写信反映这些情况。由于抗日战争时期新疆成为中共和苏联及共产国际联系的最重要渠道，又处于中国人民进行民族抗日战争的大后方，其战略地位极其重要，盛世才对中共的态度当然具有不寻常的意义，所以，这种情况早已经引起了共产国际和中共中央的注意。周恩来在新疆逗留期间，除了会见当地的党的工作人员外，主要是处理中共和盛世才的关系问题。他认真听取了陈潭秋和邓发的报告，了解了盛世才的态度和政治动向。当时毛泽民去苏联的克里米亚度假不在乌鲁木齐，但周恩来看到了他关于新疆局势给中共中央的报告。另外，周还亲自同盛世才进行了4次会谈，其中两次是两人单独进行的。通过这些会谈基本上了解了盛世才的态度和提高了对他的警惕，周恩来开始就我党在新疆的人员进行了必要的安排和调整。根据现存俄罗斯的有关档案记载，到达莫斯科以后，周恩来在同共产国际干部处负责同志的谈话中介绍了他和盛世才会谈的情况。据说，当时盛世才向周恩来断然要求中共立即从新疆撤回邓发，甚至威胁说，如果邓发在乌鲁木齐最好不要让他看见。在同盛世才的会谈中，周恩来答应，中共在新疆的代表将不再是邓发，邓在新疆的任期还有4个月，这期间他将不会和盛世才见面，此后中共和盛世才的谈判将由其他人进行。
关于中共在新疆的工作方针，周恩来认为，盛世才不允许共产党人在新疆宣传孙中山的三民主义，我们就应该按照他的要求进行我党的宣传工作。周恩来还同意致电中共中央立即召回邓发，因为邓发是政治局委员，其他的人遇到所有的问题都要请示他，盛世才也了解这一点。大约就在这以后不久，由季米特洛夫和周恩来两人共同签发了一封致中共中央的电报，指出“鉴于政治局势让邓发离开乌鲁木齐。指示他务必不要在乌鲁木齐滞留”.周恩来一行在新疆停留后便乘飞机经阿拉木图飞往莫斯科。
周恩来一行顺利到达莫斯科后，1939年9月14日下午由任弼时联系被苏联政府安排到克里姆林宫医院。
据当时正在苏联的师哲回忆说，他被安排给周恩来当翻译，所以他每天都要到医院去。当时苏联政府安排了许多高明的医生为他治疗，先后进行过三次大的会诊，提出两个治疗方案，供周恩来选择：一个是把肘骨拆开，重新接上。这样胳膊可以运动自如，但是治疗过程太痛苦，而且时间长，当然还要冒手术不成功的风险。二是不开刀，采用按摩治疗的方法，这样做所需的时间短，但不好的是愈合效果不会太好。由于国内工作太忙，不允许在国外滞留太久的时间，所以周恩来坚持执行第二个方案。
但这些回忆并不完全准确，实际上当时苏联医生确实给周恩来做了手术。我们从现存俄罗斯“现代史文献收藏和研究中心”的档案资料中发现了邓颖超1939年10月8日致季米特洛夫的一封信，这封信比较详细地介绍了周恩来在医院治疗的经过。据邓颖超的信说，手术是9月19日在克里姆林宫医院进行的。这是一次小手术，只切除了一小块突出的骨头。过了一周之后，即25日就已经拆线，经检查伤口已经全部愈合。从拆线的第二天起就开始新的疗程，主要是按摩、烤电、运动和浴疗，目的是使受伤的手臂逐渐恢复运动技能。按照教授和医生们的最初估计，他的手臂将可以弯曲45度。经过了一周卓有成效的治疗，他的手已经可以移动，手部的颤抖也已经减轻。但是，邓颖超在信中指出，根据现有的情况可以肯定，尽管以后手的弯曲程度要比预料的大些，但是要完全恢复将是不可能的，这只手最终将是半残疾的。1939年12月4日，任弼时和周恩来在致中共中央的信中说，周恩来的治疗将在12月底结束，大约在1月中旬回去。
这种治疗过程并不比做手术更轻松。过程中，有时在注射麻药后，医生把他的胳膊强行按在一定的角度上加以固定，简直是痛苦异常。特别是在麻药失效后，病人疼痛难忍。按摩往往也十分痛苦，但周恩来都以极大的毅力坚持了下来。
周恩来在医院总共住了两个多月，在新年的前几天出院。1940年元旦的晚上还出席了共产国际举行的新年联欢会。出院后，周恩来立即开始了紧张的工作。
周恩来的工作有以下几个方面：一是向共产国际汇报工作，报告有关中国抗日战争的形势和中国共产党的工作。1940年1月底，他还在国际执委会的秘密会议上作了有关中国问题的报告，根据他的报告共产国际执委会主席团作了有关决议。二是周恩来分别会见了当时在共产国际的各国共产党的领袖人物。三是参加了共产国际监委处理李德问题的工作，这是根据中国共产党的意见进行审查的，当时在场作证的有刘亚楼同志。四是看望了当时在那里的许多中国同志。
在我们所见到的诸多着述中都没有或者很少提及的是，周恩来出院后还完成了一项重要的工作，那就是和共产国际一道研究了中共中央的干部问题，分析了中共党的干部状况，同时还就有关中共“七大”的召开时间及人事安排问题同共产国际进行了磋商。在这以后，共产国际执委会书记处于1940年2月8日关于中国共产党的组织干部问题作了一项决议，无疑这是在中共“七大”召开前，也是共产国际解散之前，共产国际就中共和中国革命问题所作出的最重要的决议之一。
在苏联期间，周恩来了解并解决了陈郁的问题，把他调回莫斯科，准备带他一起回国。关于陈郁的问题，我们在档案中也发现了他的一份鉴定材料。这份材料这样写道：陈郁，波列沃依，化名李文。1905年生于广东。1931年到莫斯科，1933年被派到斯大林格勒拖拉机厂工作，直到现在。在莫斯科时，“1932年，王明指控陈郁有反党反革命活动以及参加组建（罗章龙）第二党的活动。陈郁用俄文写了检讨，承认了对他提出的全部指控。根据1933年中国代表团的提议，停止他在莫斯科步兵学校的学习，并派他到斯大林格勒拖拉机厂参加生产实践。在那里他作为技师工作到现在，同党组织没有联系。陈郁一案，任何一级党的机构都没有调查清楚，而且就针对他的指控也没有作过任何党的决议。”周恩来证实他是中共党员。有关陈郁的问题，最后的结论是交联共（布）中央监委审查，而且应有周恩来参加。这份档案的签发日期是1940年1月16日。
周恩来在苏联期间，同任弼时一起就中共“七大”的召开时间、新中央的人选及一些人员的安排使用问题又重新进行了慎重而全面的研究，他们的意见得到了中共中央的原则赞同。
1940年3月，周恩来等人乘火车从莫斯科到阿拉木图，然后乘苏联提供的专机经乌鲁木齐到兰州。同行的有邓颖超、蔡畅、陈郁（伪装的身份是副官）、师哲（伪装的身份是秘书）、任弼时和夫人陈琮英、日共领导人野坂参三（即冈野进，化名林哲，伪装的身份是参谋）、印尼的阿里阿罕（化名王大才，伪装的身份是卫士）共9人。为了加强中共和国际之间的电讯联络，共产国际还交给他们一部电台，由周恩来回国时带回。这方面的工作由任弼时负责，国际还交给任弼时联络讯号、电报密码本，还有小型摄影机等物品。另外，当时共产国际还给中共一些资助。这些东西由任弼时带在身边，入境时便放到周恩来的公文包里，当时他是国民政府军事委员会政治部副主任，中将军衔，过境时在中苏双方都享有豁免权。周恩来一行的飞机在伊宁稍事停留，顺利地通过了边境检查。到乌鲁木齐时，盛世才亲自到机场迎接，在这里总共停留了一个星期左右。在新疆周恩来再次和盛世才进行了谈判，接见了中共在当地的干部和工作人员。到兰州又停留了三四天后，3月25日到达延安。
