1943年11月27日下午3点，罗斯福由开罗飞抵德黑兰，随行人员有霍普金斯、赫尔、马歇尔、埃利奥特和安娜的丈夫约翰·伯蒂格少校等。抵达德黑兰的第一个晚上，罗斯福和霍普金斯、埃利奥特、伯蒂格等住在和苏、英两国使馆相邻的美国大使馆，其他的人住在几公里外的波斯湾指挥中心。由于年久失修，美国大使馆的建筑破旧不堪，安全措施也不到位。为了罗斯福的安全，斯大林第二天派人请他移住苏联大使馆。
1943年11月28日下午3点，罗斯福从美国大使馆搬到苏联大使馆中的一幢别墅里。15分钟后，斯大林带着翻译官到访。他穿着一身绿色军装，胸前戴着列宁勋章，看起来高大威武。进了房间后，他走向坐在轮椅中的罗斯福，伸出自己的右手。罗斯福也伸出右手，握住斯大林的手说：“很高兴见到您，我早就想和您见面了！”
斯大林回答：“能够见到总统先生，我也很高兴。由于军务繁忙以至拖延到现在才见面，真是十分抱歉。”
问候完毕，斯大林坐到罗斯福对面的椅子上，两人就这次会议将要提及的几个主要问题交换了意见，如第二战场的开辟、远东地区时局和法国问题等。斯大林听说罗斯福喜欢吸烟，就在谈话期间拿出特意准备的烟盒，请他吸烟。
罗斯福笑了笑说：“还是习惯抽这种烟。”说完，他掏出自己的烟盒，从里面取出一支“骆驼”牌香烟，放到自己的嘴上，点燃后吸了起来。他向斯大林耸了耸肩表示歉意，然后问道：“怎么不见您那只大名鼎鼎的烟斗？”
斯大林回答：“医生让我尽量少吸烟了，但我还是离不开它。今天为招待贵宾准备了香烟，所以就没有带烟斗。如果你想看看它，下次我一定带烟斗来。”
罗斯福听翻译官翻译后，很认真地说：“还是应该听医生的，以后我也要少吸烟。”
丘吉尔一直在关注着罗斯福和斯大林的消息，听说两人单独见面，觉得有些不安。他已经明显地察觉到，罗斯福从亲英转为亲苏。从开罗会议时开始，他就想找机会和罗斯福单独见面，好让英美在德黑兰会议的几个议题上先达成共识，但是罗斯福都用各种理由委婉地回绝了。
罗斯福和斯大林的第一次会晤总共进行了45分钟，其中很多都是翻译时间。罗斯福提到了战后成立国际组织用来维护世界和平的构想。他在纸上画了3个圆圈，中间的圈注明“执行委员会”，左边的圈注明“40个成员国家”，右边的圈注明“美、苏、英、中4个理事国”。斯大林没有太多表示，罗斯福以为自己已经说服了他。
罗斯福和斯大林谈完后，就前往大使馆的会议室，参加德黑兰第一次全体会议。
在会议开始之前，举行了一个简短的赠剑仪式，丘吉尔代表英国国王向斯大林赠送了一柄剑。这把镶满宝石的剑被乔治六世命名为“斯大林格勒”之剑，它凝聚了英国人民对斯大林格勒的保卫者们的敬仰，对英勇抗击法西斯侵略的苏联人民的敬仰。
赠剑仪式结束后，德黑兰第一次全体会议正式开始，罗斯福被推举为会议主席。他说：“首先，让我们欢迎苏联成为国际大家庭的新成员，其次我对斯大林元帅和丘吉尔首相的推举表示感谢。我希望，会议能在真诚友好的气氛中进行，大家都能够畅所欲言。”
丘吉尔说：“这次会议是人类有史以来最伟大力量的融合，我们这些与会者手中掌握着人类幸福的命运，希望大家不辜负上帝和人民所赐予的使命。”
斯大林对丘吉尔的话表示赞同，他说：“历史宠幸我们，给了我们这样一个能够互相了解的机会，让我们像兄弟一样聚会。”
整个会议进行了3个小时20分钟，三个人主要就第二战场的开辟问题展开激烈讨论。斯大林对美、英一再推迟开辟第二战场的时间表示不满，丘吉尔则希望不要确定固定的时间，以免影响正在进行的地中海作战计划。两人相执不下，罗斯福充当着调解员的角色。
11月28日晚，罗斯福在他暂住的别墅中举行了晚宴。除了斯大林、丘吉尔之外，他还邀请了美、英、苏三方到会的其他政府和军事人员。晚宴的主菜为烤牛排和烤火鸡，罗斯福为了让宴会气氛更轻松和更融洽，亲自为客人们调制鸡尾酒。丘吉尔曾经在白宫喝过这种将马提尼和苦艾酒混合的鸡尾酒，表示比较喜欢。斯大林认为虽然味道不错，但是他觉得不暖胃。他和大多数俄罗斯人一样，喜欢喝伏特加那样纯度较高的烈酒。晚餐后，丘吉尔和斯大林谈了波兰问题。谈到波兰问题时，丘吉尔把3根火柴放到桌面上，代表苏、波、德三国，将波兰的疆域向西边的德国扩展，从德国得到土地弥补东边失去的土地。斯大林很满意，认为这是个好主意。由于怕引起美国国内100万波兰裔选民的反感，所以罗斯福在这个问题上没有发表任何意见。
客人们都离开后，作为随从官员的埃利奥特向父亲说出自己的担忧：“父亲，这别墅里的服务生都是苏联内务委员会人员，还携带了武器，我们可能已经处于严密监视中。”
罗斯福并不在意：“不要担心，埃利奥特，如果他们真偷听了我的话，就知道我的诚意了，我们有必要打破僵局，和斯大林建立正常的外交关系。”
11月29日，在罗斯福的主持下，美、英、苏三方代表召开了第二次全体代表大会，仍由罗斯福来主持。同28日的会议一样，争论的焦点还是开辟第二战场的时间问题。尽管罗斯福和丘吉尔已经表明会在明年展开行动，但斯大林还是认为他们没有诚意。罗斯福则相信胜利的日子已经不远了，他把全部心思放到策划自己构想的国际机构上，为了达成这个目标愿意在其他问题上做出妥协。他不愿意让斯大林认为美、英达成什么协议，所以在斯大林和丘吉尔争论的时候什么也不说。丘吉尔还在坚持自己的军事计划，没有意识到这个计划或许会导致同盟国的分裂。斯大林凭借苏联对德作战的胜利，抢占了欧洲战场的优势，想在同盟国中具有主导权。
11月29日的晚宴，由斯大林主持，人们尽情狂欢，喝掉了一瓶又一瓶苏联香槟酒，气氛非常热烈。斯大林提到苏德战争中德军带给苏联人民的灾难，并且带着嘲笑的口气说：“一定要严厉地惩治德国，肃清他们的参谋部，枪毙上5万名德国军官。”
尽管房间里的其他人都知道斯大林在开玩笑，但是丘吉尔却认为斯大林提出的是严肃的对德政策问题，他说：“英国政府和人民绝不能容忍发生这样的暴行，不管他是不是纳粹，都应该由法律来审判，而不是被行刑队处决掉。”
斯大林对丘吉尔的反应有些意外，但好像并没有改变立场：“必须要枪毙上5万！”
丘吉尔非常气愤，一下子站了起来：“我宁愿你们把我拖到后花园，一枪子儿把我毙了，也不愿意让这种暴行玷污我和我国的荣誉。”
罗斯福觉得有些好笑，在这两天的会议期间，似乎调解斯大林和丘吉尔的各种矛盾已经成了他的职责。他笑着看看像小孩子一样闹别扭的两人，插话说：“我想，枪毙掉4.9万名德国军官就行了！”
由于罗斯福的打趣，僵硬的气氛缓和下来。斯大林作为主人依次向客人们敬酒，轮到已经喝得半醉的埃利奥特时，埃利奥特说：“我非常赞成斯大林元帅的计划，相信美国军队会大力支持这个计划的。我们的部队从西部进入德国，你们的军队从东边进，很容易就把事情办妥当。其实枪毙上5万名德国军官也不解恨，真应该再杀上几十万个纳粹。”
斯大林听完翻译官的讲解，走到埃利奥特的身边，搂住他的肩膀，好像很喜欢这个桀骜不逊的年轻人。
丘吉尔非常恼火，站起来大声呵斥埃利奥特：“你怎么敢说这种话，想毁掉盟国之间的关系吗？”呵斥完，怒气冲冲地离开，一个人走进隔壁的空房间。
斯大林带着翻译跟了过去，伸手拍拍丘吉尔的肩膀。丘吉尔转过身来，看到是斯大林，有些意外，他以为罗斯福会过来安抚自己。其实他已经有点后悔自己的冲动，可能是因这两天被罗斯福冷落，所以对埃利奥特的态度才会有些过激。斯大林冲丘吉尔微笑着，让翻译官解释那关于“枪毙5万德国军官”只是玩笑话，从来没有考虑过那样的事情。丘吉尔有些感动，他后来在回忆录中是这样说明自己当时的心情的：“假如斯大林愿意的话，他能够变得很有魅力，他的微笑让人倾倒，我从来没有想过他此刻能够有这样大的魅力。”
丘吉尔和斯大林又回到晚宴上，罗斯福好像什么都没发生一样，开始赞颂大英帝国在这场反法西斯战争中的伟大作用，并给予老朋友丘吉尔很高的评价。
11月30日午餐时间前，丘吉尔单独会见了斯大林。他向斯大林解释迟迟不开辟第二战场的原因，因为英国必须要考虑到地中海的军事力量。他还提到英国和美国的不同，英国比美国更看重开辟第二战场的事，美国却似乎更在意太平洋地区的战事。斯大林只是听着，没有发表什么意见。
午餐会谈中，罗斯福提到中国问题，斯大林问道：“苏联能够在远东得到什么？”
丘吉尔反问：“您对《开罗宣言》怎么看？关于远东地区和该地区的不冻港问题，贵国政府是什么意见呢？”
斯大林回答：“我们在远东没有一个完全的不冻港。”
罗斯福微笑着说：“我认为，可以在远东设立自由港，中国大连就比较适合。”
斯大林摇摇头：“蒋介石不会答应这个提议的。”
罗斯福叫斯大林不要担心这个，其实他已经早有准备，在开罗会议时就和蒋介石达成默契。斯大林不再疑惑，做出两个口头承诺：赞成《开罗宣言》上的全部条款，打败德国后出兵中国东北，对日作战。
11月30日下午4点，美英两国为开辟第二战场制定的“霸王行动”确定了日期和策略。时间为1944年5月，到时美、英两国将在一个地区制造假象欺骗德国人，然后从另一个地区真正进攻。斯大林不赞同这样的做法，认为应该正面战斗。丘吉尔说了一句非常经典的话：“真理，是值得用谎言去捍卫的！”
斯大林同意苏联到时候在东线发动攻势，配合该行动的顺利完成。罗斯福表示，会在近期内任命“霸王行动”的负责人。会议气氛轻松愉快，已经没有了前两日的剑拔弩张。
11月30日的晚宴，在英国大使馆举行，由于当天正好是丘吉尔的生日，所以规模比前两次的都要盛大。餐桌上装饰着英格兰风格的桌布和烛台，摆放着大大的奶油蛋糕，还整齐地排列着闪闪发光的银制器皿。人们的心情在烛光中柔和起来。因为已经举行了好几次宴会，三方的随行官员和代表不再生疏拘谨，彼此随意地攀谈着。丘吉尔坐在罗斯福和斯大林的中间，愉快地接受了两人的生日祝福。可是，他的好心情并没有保持多久。他发现，当罗斯福讲话时，斯大林很认真地倾听；而自己讲话时，斯大林不是反驳就是打岔。丘吉尔有些难过，感觉自己和自己的国家都被这个东方独裁者轻视了。为了化解郁闷，丘吉尔向罗斯福和斯大林敬酒。斯大林反客为主，表示要说几句，他强调了美国提供装备的重要性，把苏联当年取得的胜利归功于罗斯福和美国的援助。罗斯福很满意这个结果，丘吉尔却郁闷得不行。苏联和美国都在强调对方的重要性，仿佛已经忘记了“二战”初期两国袖手旁观时，是英国在全力以赴地抵抗德国对欧洲的蹂躏。
12月1日的会议主要是谈论分割德国问题，斯大林赞成丘吉尔之前的建议，同意波兰往西扩大疆域。关于这个议题，罗斯福依然回避，但是私下里已经向斯大林表示支持。三个人都认为战后应该分割德国，以防止德国法西斯的复辟，但大家在分割方式上意见却不统一：罗斯福的主张是，把德国分为5个部分，划归成2个地区；丘吉尔的主张是，将普鲁士独立出来，其他地区组成多瑙河联邦；斯大林的主张是，分割得应更零散些，这样才能够彻底杜绝德国军国主义的再次复苏。罗斯福觉得斯大林说得有道理，很认可他的观点。
当晚，斯大林再次在苏联大使馆举行了晚宴，德黑兰会议落下帷幕。
罗斯福认为，由于自己和斯大林相互信赖，德黑兰会议才取得圆满成功。斯大林却并不这样看，他后来对一位共产党政治家提到此事时，他是这样评价罗斯福的：丘吉尔会掏光你的口袋，一个子儿也不放过；罗斯福不会那样，他只挑大票子。
1943年12月16日，罗斯福回到美国。在这之前，他去了北非，并且任命艾森豪威尔为盟军总司令，担任“霸王行动”的统帅。12月21日，霍普金斯一家搬出了白宫，住到了乔治城的家里。白宫冷清了不少，这让罗斯福有些伤感。霍普金斯的身体状况越来越不好，这让罗斯福想到了当年因病搬离的豪。
1943年12月24日，罗斯福在海德公园府邸的书房里，进行了第20次“炉边谈话”。在谈话中，他总结了开罗会议和德黑兰会议的相关成就。他提到自己在圣诞节即将来临前进行这次谈话的意义，那就是呼吁大家不要忘记“热爱和平和与人为善”的精神。