最后，周恩来同西哈努克讨论了两国的经济和文化交流问题。关于经济援助问题，中国将帮助扩大磅湛纺织厂（扩大五千锭）加织布机、扩建水泥厂（由年产五万吨扩大到十万吨）、改建造纸厂黄板纸车间和扩建机场。会谈结束时，西哈努克说：“十分感谢你们的友谊和谅解，使一切问题很容易得到解决。”周总理回答说：“我们是老朋友了。”
10月1日上午，西哈努克观看了在天安门广场举行的中国国庆游行，下午同周恩来举行第二次会谈。西哈努克希望在支持柬埔寨的问题上中方能说“美国侵略柬埔寨就是侵略中国”这样的话。周恩来对他解释说，虽然他在第一次会谈中表述的“美国侵略越南民主共和国就是侵略中国”和“美国侵略柬埔寨，中国就要全力支援”两句话字面上不同，但实质的安全承诺是一样的。不同处在于越南民主共和国是社会主义国家，而柬埔寨是中立国家，如果中国说“美国侵略柬埔寨就是侵略中国”，就会给人一个柬埔寨是中国的盟友的印象，这样不利于柬埔寨的中立形象，但是，一旦柬埔寨遭到侵略，中国会全力支持，包括派出军事人员，用什么形式，可以再商量。西哈努克告诉周恩来，柬埔寨同老挝之间也有领土纠纷，因为富马声称柬埔寨的一个省是老挝的。西哈努克还说，富马已经投靠美国了.
西哈努克原计划参加了中国国庆庆典后就去开罗出席不结盟国家首脑会议，但为了同越南民主共和国、越南南方民族解放阵线、老挝爱国战线党的代表讨论承认柬埔寨现有边界问题，他改变了原定计划，决定在北京再停留几天，不去开罗，改派副首相宋双去。西哈努克同越南、老挝共产党代表在北京会谈的直接记录尚未公布，但根据他事后对周恩来的描述，会谈结果并不理想。10月4日，西哈努克在同周恩来举行第三次会谈时，介绍了他同越南民主共和国、越南南方民族解放阵线、老挝爱国战线党的代表没能就承认柬埔寨现有边界问题达成一个书面协议的经过。周恩来安慰他说：“现在亲王不搞一个文件比搞一个文件好一些。就目前来说，越南南方民族解放阵线还不是一个政府。柬埔寨和它签订文件，美国会说西哈努克不是和平中立，他已和中华人民共和国、越南南方民族解放阵线、越南民主共和国结成同盟了。对老挝爱国战线党也是同样，签订文件也有危险，因为，它也不是政府。”
西哈努克解释他为什么想同越南人就承认柬埔寨现有边界问题搞一个书面文件，他说：这样做“是为了将来考虑，现在就从法律上打定基础，在边界问题上立下有效的法律根据”。“越南民主共和国和越南南方民族解放阵线现在在和美国作斗争，需要我们给予帮助；将来它们不必要和美国斗争，是否对我们的态度就会变了呢？所以需要签订文件，使它们将来不致改口，要有法律效力，永远肯定下来”。很明显，西哈努克对越南人的口头承诺很不放心。
周恩来虽然同情西哈努克的处境，但对越南人不愿以法律书面形式承认柬埔寨现有边界的态度也无能为力，他只有向西哈努克强调和越南民主共和国、越南南方民族解放阵线和老挝爱国战线党团结抗美的重要性。他指出：“你们几个国家和党的关系，本质上不会改变，大家都抵抗美国。”“我们共同形成一条统一战线，反对美帝。”他告诉西哈努克，为了推动印度支那三方面的合作，他要举办一个内部酒会，邀请三方代表参加。“招待会是我们内部的，对外不发表，免得引起猜测，这样可以自由一些，交谈交谈，有好处，不搞任何形式，这也表示我们不辜负亲王多留几天的好意”。
10月5日，周恩来安排的招待会在钓鱼台国宾馆17号楼举行，出席招待会的有西哈努克，越南民主共和国的范文同、黄文欢、阮基石，越南南方民族解放阵线的陈文成、阮明芳，老挝爱国战线党的苏发努冯、富米·冯维希。周恩来和西哈努克在招待会上先后致词。周恩来在讲话中强调大家反美的共同目标，指出：印度支那是有光明前途的，帝国主义势力一定会被赶走，印度支那国家一定能够实现和保持它们的主权、领土完整和独立地位。希望四个国家在今后的会见和协商过程中相互支持。晚上，周恩来和邓颖超设家宴招待西哈努克和夫人等柬埔寨客人。
西哈努克同越南、老挝共产党代表围绕承认柬埔寨现有边界的谈判的曲折艰难，充分反映了印度支那内部情况的复杂和敏感，特别是柬埔寨同越南民主共和国、越南南方民族解放阵线的关系异常微妙。出于反对美国干涉的共同利益的考虑，他们感到有必要保持合作，这个共同利益暂时掩盖了他们之间的领土纠纷。一旦反对美国的共同目标消失了，他们之间围绕领土划分的矛盾就会完全浮出水面，引起冲突，反目成仇，越南战争结束以后的印度支那历史充分证明了这一点。越南共产党对中国同情西哈努克的领土诉求的作法心怀不满，这也是造成日后中越关系恶化的一个原因。
西哈努克很感谢中国对他的支持和帮助，特别是安全方面的承诺。1965年，他将新建成的一条从金边市区通往波成东机场的大道命名为“毛泽东大道”。
1965年4月，柬埔寨和美国的关系急剧恶化。先是4月5日美国《新闻周刊》发表文章，指责西哈努克的母亲在金边开妓院敛财。接着4月28日美国飞机越过越柬边界，轰炸柬埔寨磅湛（Kompong Cham）省的几个村庄，炸死炸伤柬埔寨村民。西哈努克一怒之下于5月和美国断绝外交关系。西哈努克敢于和美国分道扬镳的原因主要是三个：一是中国的安全承诺。二是法国对美国越战政策的批评。法国总统戴高乐公开质疑美国约翰逊（Johnson）政府对越南的军事干涉，使西哈努克相信美国的越战政策不会成功。三是西哈努克身边的法国顾问和助手都鼓励他同美国断绝关系。
9月底，西哈努克又去北京参加中国国庆纪念活动。29日，毛泽东、刘少奇、周恩来等中国领导人同他交谈。毛泽东非常赞赏西哈努克同美国断绝外交关系的决定，说：“你们是反对美帝国主义的国家，拒绝美援，断绝与美国的关系，并且公开的，不是暗地的反对美帝国主义。我曾担心拒绝美援后你们经不起考验。”西哈努克表示：“我们拒绝美援就好像消了毒一样，就像刘主席讲话中所说的那样，美援像鸦片一样，如果抽上瘾以后，开始不抽时就很困难。经过几个月后就会慢慢好起来。”毛泽东以鼓励的口吻说：“这很好，很不容易。”西哈努克向毛泽东详细解释他决定同美国断绝外交关系的原因。他说：“西贡和曼谷的敌人对我们帮助很大。开始时，人们不同意与美断绝关系。但美、南越轰炸柬后，人们就同意了。所以开始想不通的现在也想通了。”“青年和知识分子对我们是支持的，从去年起他们就要求我拒绝美援，断绝与美国的关系。美国的报纸也帮我的忙，他们对柬进行反宣传，进行各种污蔑，所以引起我的民族对他们的不满。”
接着，西哈努克又向毛泽东介绍柬埔寨国内的社会和经济情况。在社会方面，西哈努克强调柬埔寨的稳定和团结。在经济反面，他指出：“我们有社会主义的国营企业，也有公私合营和私营的工商业。私营企业是否存在，主要是决定于干部，干部不够，只能让他们暂时存在。”毛泽东建议：“暂时可以缓和一些，不要太急。”