1939年7月10日，周恩来到中央党校作报告，骑马摔伤右臂。当时延安的医疗条件很差，尽管做了力所能及的处理，但还是没有接好。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。尽管进行了按摩和热敷，右臂仍然无法伸直，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。
当时新疆的盛世才对苏联和中共的态度正在发生急剧的转变，他从公开宣布实行“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曾向共产国际和党中央写信反映这些情况。
根据现存俄罗斯的有关档案记载，周恩来到达莫斯科以后，他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，其他人遇到问题都要请示他，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3次大的会诊，提出了两个治疗方案，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危险。二是不开刀，采用直接按摩治疗的方法，这样做所需的时间短，但是坏处是愈合的效果不会太好。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。
其实，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”的档案资料里发现了邓颖超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，只切除了一块突出的小骨头。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。治疗过程中，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，但是周恩来都以极大的毅力坚持下来。
周恩来在克里姆林宫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：报告有关中国抗日战争的形势和中国共产党的工作；但是，我们所见到的诸多著述中都没有或很少提及的是，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。
1940年3月26日，周恩来与任弼时、蔡畅、邓颖超等人乘火车从莫斯科到阿拉木图，然后乘苏联专机经乌鲁木齐、兰州到延安。