Следующими пунктами сталинского плана были Литва и Латвия.
29 сентября, едва проводив Риббентропа, Молотов вызвал литовского посланника Л. Наткевичуса и заявил ему, что следовало бы начать прямые переговоры о внешнеполитической ориентации Литвы. Уже 1 октября литовское правительство согласилось делегировать в Москву министра иностранных дел Юозаса Урбшиса.
Одновременно Москва предложила Берлину согласовать по времени территориальные изменения на литовских землях с тем, чтобы акты о передаче литовцам Вильно, а немцам «хорошо известной части» Литвы были подписаны одновременно. В Рейхсканцелярии эту идею отвергли, полностью согласившись с доводами Шуленбурга: «Предложение Молотова кажется мне пагубным, так как в глазах всего мира мы предстанем «грабителями» литовской территории, в то время как советское правительство будет считаться «жертвователем».
На начавшихся поздним вечером 3 октября советско-литовских переговорах Сталин первым делом сообщил, что он уже договорился с немцами о разделе Литвы. Как отметил Молотов: «Члены литовской делегации были крайне смятены и опечалены; они заявили, что потерю именно этого района будет особенно тяжело перенести, поскольку многие выдающиеся деятели литовского народа вышли из этой части Литвы». Иосиф Виссарионович утер им слезы и, в качестве компенсации моральных издержек и оплаты за неудобства, связанные с приемом на своей территории советских войск, предложил Урбшису город Вильнюс. «Любое империалистическое государство заняло бы Литву, и все, – сказал Молотов. – Мы этого не делаем. Мы не были бы большевиками, если бы не искали новые пути. Мы предлагаем вам договор!» Ознакомившись с текстом, Урбшис снова «опечалился» и заявил, что это означает оккупацию Литвы: «Сталин с Молотовым усмехнулись. Первый сказал, что вначале похоже рассуждала Эстония. Советский Союз не намерен угрожать независимости Литвы. Наоборот. Вводимые советские войска будут подлинной гарантией для Литвы, что Советский Союз защитит ее в случае нападения, так что войска послужат безопасности самой Литвы. «Наши гарнизоны помогут вам подавить коммунистическое восстание, если оно произойдет в Литве», – добавил Сталин и усмехнулся».
Делегация получила советские проекты документов и была отпущена домой с пожеланием возвращаться поскорее. Тем временем Компартия Литвы распространила воззвание, в котором говорилось, что «нашему народу грозит гитлеровское иго и гибель нации», и предлагалось повсюду создавать комитеты защиты Литвы, устраивать демонстрации протеста против союза с Германией. Страна, по мнению коммунистов, должна «опираться лишь на Советский Союз – защитника и освободителя малых народов». Заодно партия призвала к восстанию против «фашистской власти Сметоны».