Получив фотографии, свидетельствующие о советских ракетных базах на Кубе, президент Кеннеди собрал особую группу советников на секретное совещание в Белом Доме. Эта группа из 14 человек, ставшая позднее известной как «Исполнительный комитет» EXCOMM. Комитет состоял из членов Совета национальной безопасности США и нескольких специально приглашенных советников. Вскоре комитет предложил президенту три возможных варианта разрешения ситуации: уничтожить ракеты точечными ударами, провести полномасштабную военную операцию на Кубе или ввести морскую блокаду острова. Военные предложили вторжение, и вскоре началась переброска войск во Флориду, а Стратегическое командование ВВС перебазировало бомбардировщики среднего радиуса действия B-47 Stratojet в гражданские аэропорты и перевело в режим постоянного патрулирования флот стратегических бомбардировщиков B-52 Stratofortress.

22 октября Кеннеди объявил Кубе морскую блокаду в виде карантинной зоны в 500 морских миль (926 км) вокруг берегов острова. Блокада вступила в силу 24 октября в 10:00. 180 кораблей ВМС США окружили Кубу с четким приказом ни в коем случае не открывать огонь по советским судам без личного приказа президента. К этому времени на Кубу шли 30 кораблей и судов, в том числе «Александровск» с грузом ядерных боеголовок и 4 корабля, везущие ракеты для двух дивизионов БРСД. Кроме того, к Острову свободы приближались 4 дизельные подводные лодки, сопровождавшие корабли. На борту «Александровска» находились 24 боеголовки для БРСД и 44 для крылатых ракет. Хрущёв решил, что подводным лодкам и четырём судам с ракетами Р-14 – «Артемьевску», «Николаеву», «Дубне» и «Дивногорску» – следует продолжать идти прежним курсом. Стремясь свести к минимуму возможность столкновения советских кораблей с американскими, советское руководство решило развернуть остальные не успевшие добраться до Кубы корабли домой. Одновременно с этим Президиум ЦК КПСС решил привести вооружённые силы СССР и стран Варшавского договора в состояние повышенной боеготовности. Отменили все увольнения. Срочникам, готовящимся к демобилизации предписано оставаться на местах несения службы до дальнейших распоряжений. Хрущёв отправил Кастро ободряющее письмо, заверив в непоколебимости позиции СССР при любых обстоятельствах.

24 октября Хрущёв узнал, что «Александровск» благополучно добрался до Кубы. Одновременно с этим ему пришла короткая телеграмма от Кеннеди, в которой тот призвал Хрущёва «проявить благоразумие» и «соблюдать условия блокады». Президиум ЦК КПСС собрался на заседание, чтобы обсудить официальный ответ на введение блокады. В тот же день Хрущёв направил президенту США письмо, в котором обвинил его в том, что тот ставит «ультимативные условия». Хрущёв назвал блокаду «актом агрессии, толкающим человечество к пучине мировой ракетно-ядерной войны». В письме Первый секретарь предупредил Кеннеди, что «капитаны советских кораблей не станут соблюдать предписания американских ВМС», а также что «если США не прекратят своих пиратских действий, правительство СССР примет любые меры для обеспечения безопасности судов».

В ответ на послание Хрущёва, в Кремль пришло письмо Кеннеди, в котором он указал, что советская сторона нарушила свои обещания в отношении Кубы и ввела его в заблуждение. На сей раз, Хрущёв решил не идти на конфронтацию и начал искать возможные выходы из сложившейся ситуации. Он объявил членам Президиума, что «невозможно хранить на Кубе ракеты, не вступая в войну с США». На заседании было решено предложить американцам демонтировать ракеты в обмен на гарантии США оставить попытки сменить государственный режим на Кубе. Брежнев, Косыгин, Козлов, Микоян, Пономарёв и Суслов поддержали Хрущёва. Громыко и Малиновский при голосовании воздержались.

26 октября утром Хрущёв принялся за составление нового, менее воинственного послания Кеннеди. В письме он предложил американцам вариант демонтажа установленных ракет и возвращения их в СССР. В обмен он требовал гарантий того, что «Соединенные Штаты не вторгнутся своими войсками на Кубу и не будут поддерживать никакие другие силы, которые намеревались бы совершить вторжение на Кубу». Закончил он письмо знаменитой фразой «Нам с вами не следует сейчас тянуть за концы верёвки, на которой вы завязали узел войны». Хрущёв составил это письмо в одиночку, не собирая Президиум. Позднее, в Вашингтоне была версия, что второе письмо писал не Хрущёв, и что в СССР, возможно, произошёл государственный переворот. Другие считали, что Хрущёв, наоборот, ищет помощи в борьбе против сторонников жёсткой линии в рядах руководства Вооружённых сил СССР. Письмо пришло в Белый дом в 10 часов утра. Ещё одно условие было передано в открытом обращении по радио утром 27 октября, призвавшем вывести американские ракеты из Турции в дополнение к требованиям, указанным в письме.

В пятницу 26 октября, в 13-00 по вашингтонскому времени поступило сообщение от репортера ABC News Джона Скали о том, что к нему обратился с предложением о встрече Александр Фомин – резидент КГБ в Вашингтоне. Встреча состоялась в ресторане Occidental. Фомин выразил озабоченность по поводу нарастания напряженности и предложил Скали обратиться к своим «высокопоставленным друзьям в Госдепартаменте» с предложением поиска дипломатического решения. Фомин передал неофициальное предложение советского руководства убрать ракеты с Кубы в обмен на отказ от вторжения на Кубу.
Американское руководство ответило на это предложение передав Фиделю Кастро через посольство Бразилии, что в случае вывода наступательных вооружений с Кубы, «вторжение будет маловероятно».

Тем временем в Гаване политическая обстановка накалилась до предела. Кастро стало известно о новой позиции Советского Союза, и он сразу же направился в советское посольство. Команданте решил написать Хрущёву письмо, чтобы подтолкнуть его к более решительным действиям. Ещё до того как Кастро закончил письмо и отправил его в Кремль, глава резидентуры КГБ в Гаване известил Первого секретаря о сути послания Команданте: «По мнению Фиделя Кастро, интервенция почти неминуема и произойдёт в ближайшие 24-72 часа». Одновременно, Малиновский получил донесение от командующего советскими войсками на Кубе генерала И. А. Плиева об усилившейся активности американской стратегической авиации в районе Карибского бассейна. Оба сообщения доставили в кабинет Хрущёва в Кремль в 12 дня, в субботу, 27 октября.

В Москве было 5 часов вечера, когда на Кубе разбушевался тропический шторм. В одно из подразделений ПВО пришло сообщение, что на подлёте к Гуантанамо замечен американский самолёт-разведчик U-2. Начальник штаба зенитного ракетного дивизиона С-75 капитан Антонец позвонил в штаб Плиеву за инструкциями, но того на месте не оказалось. Заместитель командующего ГСВК по боевой подготовке генерал-майор Леонид Гарбуз приказал капитану ждать появления Плиева. Через несколько минут Антонец вновь позвонил в штаб – никто не взял трубку. Когда U-2 был уже над Кубой, Гарбуз сам прибежал в штаб и, не дождавшись Плиева, отдал приказ уничтожить самолёт. По другим сведениям, приказ об уничтожении самолёта-разведчика мог быть отдан заместителем Плиева по ПВО генерал-лейтенантом авиации Степаном Гречко или командиром 27-й дивизии ПВО полковником Георгием Воронковым. Пуск был осуществлён в 10:22 по местному времени. Пилот U-2 майор Рудольф Андерсон погиб.

В ночь с 27 на 28 октября по заданию президента его брат Роберт Кеннеди встретился с советским послом в здании Министерства юстиции. Кеннеди поделился с Добрыниным опасениями президента о том, что «ситуация вот-вот выйдет из под контроля и грозит породить цепную реакцию». Роберт Кеннеди заявил, что его брат готов дать гарантии ненападения и скорейшего снятия блокады с Кубы. Добрынин спросил Кеннеди о ракетах в Турции. «Если в этом единственное препятствие к достижению упомянутого выше урегулирования, то президент не видит непреодолимых трудностей в решении вопроса» – ответил Кеннеди. По словам тогдашнего министра обороны США Роберта Макнамары, с военной точки зрения ракеты Юпитер были устаревшими, однако в ходе приватных переговоров Турция и НАТО выступали резко против включения подобного пункта в официальное соглашение с Советским Союзом, так как это было бы проявлением слабости США и ставило бы под сомнение гарантии США по защите Турции и стран НАТО.

На следующее утро в Кремль пришло сообщение от Кеннеди, где было указано: «1) Вы согласитесь вывести свои системы вооружения с Кубы под соответствующим наблюдением представителей ООН, а также предпринять, с соблюдением соответствующих мер безопасности, шаги по

остановке поставок таких же систем вооружения на Кубу. 2) Мы же, со своей стороны, согласимся – при условии создания с помощью ООН системы адекватных мер, обеспечивающих выполнение данных обязательств, – а) быстро отменить введённые в настоящий момент блокадные мероприятия и б) дать гарантии ненападения на Кубу. Я уверен, что и остальные государства Западного полушария будут готовы поступить подобным образом».
В полдень Хрущёв собрал Президиум у себя на даче в Ново-Огарёво. На собрании шло обсуждение письма из Вашингтона, когда в зал вошёл человек и попросил помощника Хрущёва Олега Трояновского к телефону: звонил Добрынин из Вашингтона. Он передал Трояновскому суть его беседы с Робертом Кеннеди и выразил опасения, что президент США испытывает сильное давление со стороны чиновников из Пентагона. Добрынин передал дословно слова брата президента США: «Мы должны получить ответ из Кремля сегодня же, в воскресенье. Осталось очень мало времени для разрешения проблемы». Трояновский вернулся в зал и зачитал собравшимся то, что успел записать в своем блокноте, пока слушал доклад Добрынина. Хрущёв сразу же пригласил стенографистку и начал диктовать согласие. Он также надиктовал два конфиденциальных письма лично Кеннеди. В одном он подтвердил факт того, что послание Роберта Кеннеди добралось до Москвы. Во втором, что он расценивает это послание как согласие на условие СССР по выводу советских ракет с Кубы – убрать ракеты из Турции.
Опасаясь всяких «неожиданностей» и срыва переговоров, Хрущёв запретил Плиеву использовать зенитное оружие против американских самолётов. Он также приказал вернуть на аэродромы все советские самолёты, патрулирующие Карибское море. Для пущей уверенности первое письмо было решено транслировать по радио, чтобы оно как можно скорее дошло до Вашингтона. За час до начала трансляции послания Никиты Хрущева Малиновский послал Плиеву приказ начать демонтаж стартовых площадок Р-12.
Демонтаж советских ракетных установок, погрузка их на корабли и вывод с территории Кубы заняли 3 недели. Убедившись, что Советский Союз вывел ракеты, президент Кеннеди 20 ноября отдал приказ прекратить блокаду Кубы. Через несколько месяцев из Турции были выведены и американские ракеты.