核武器和核试验。1963年7月，美国、苏联、英国签订了《部分禁止核试验条约》。中国领导人认为，这个条约的目的是建立美苏英三家在核武器问题上的垄断地位，并剥夺其它国家（尤其是中国和法国）通过一般核试验来发展自己核力量的权利。因此，中国政府拒绝在这个条约上签字。9月5日，周恩来在一次和外宾的谈话中解释为什么中国政府认为“三国条约”是一个大骗局。周恩来指出，“三国条约”不是禁止核武器的第一步，而是很危险的一步。它只是把我们爱好和平的国家和人民的手脚束缚起来，它们却可以更肆无忌惮地进行核讹诈。在对待《部分禁止核试验条约》的问题上，西哈努克和中国的立场一致，他也拒绝在条约上签字。
中国政府为了回应《部分禁止核试验条约》，提出召开世界各国首脑会议讨论全面禁止和彻底销毁核武器的建议。1963年8月21日，西哈努克致信中国领导人，表示支持中国的建议。8月29日，周恩来致电西哈努克，对他的支持表示感谢。9月30日，周恩来在接见西哈努克私人顾问、柬埔寨国家银行行长松山时，再次对西哈努克支持中国全面禁止核武器和召开世界政府首脑会议的主张，表示感谢。
翌年10月，第二次不结盟国家会议在阿联首都开罗召开。在会上，柬埔寨代表团重申，柬埔寨不在《部分禁止核试验条约》上签字。但是，会议在结束时仍通过了含有支持《部分禁止核试验条约》内容的决议，对此，柬埔寨代表团表示保留。同月，中国成功试爆第一颗原子弹后，柬埔寨舆论纷纷对中国的成就表示庆贺和支持。西哈努克和外交部长胡森巴分别向中国领导人发了贺电，对中国的核试验表示支持。在1965年6月举行的一次联合国裁军委员会会议上，印度提出了一个谴责中国核试验的提案，柬埔寨代表投了反对票。
西哈努克除了在老挝危机、中印边界冲突、中华人民共和国在联合国的代表权、核武器和核试验这几个问题上和中方积极配合以外，还在其它一些重要国际问题上，和中国领导人互通信息，交换情况和意见。由于西哈努克平时关心国际事务，对世界上很多热点问题都反应迅速，在不少重要的国际活动和场合中，都有他的身影，所以，他也是中国政策制定者了解全球政治动态一个重要信息来源。比如，西哈努克经常向中方透露不结盟国家会议的情况。由于中国不是不结盟运动的成员国，所以柬埔寨就成为中国领导人了解不结盟运动内幕的一个难得的渠道。西哈努克还积极推动中法建交，帮助中国建立和外部世界的联系。实际上，从1960年代初开始，随着中国和苏联、大部分东欧国家关系的疏远和破裂，柬埔寨逐渐成为中国和国际社会交往的一个重要桥梁。
中国给柬埔寨的安全承诺
1963年，柬越关系恶化。西哈努克对美国越来越不满，因为美国不仅继续支持泰国和南越对柬埔寨施压，还向被南越庇护的山玉成组织“自由高棉”（Khmer Serei）运动提供武器和训练，支持他们袭扰柬埔寨。停止了两年的反西哈努克广播又开始活动。
2月15日，西哈努克在北京和毛泽东谈话时，大吐苦水，倾诉柬埔寨遭受泰国和南越欺负之苦。他说，泰国把他看成是头号敌人，曼古的报纸用通栏大字描述他是第一号敌人；南越常派飞机越境轰炸柬埔寨的村庄，造成很多柬埔寨无辜百姓生灵涂炭，然后借口说是把边界位置搞错了。毛泽东要西哈努克不要惧怕泰国和南越的压力，并用最近伊拉克的政变为例，提醒西哈努克要注意防政变，要把军队牢牢地控制在手中。毛泽东鼓励西哈努克说：“我们很感谢你们，你们在东南亚站住了脚，我们感到很高兴。你们的国家有发展，经济方面、政治方面、文化方面都有发展。希望你们继续巩固，继续发展。你们不要垮台，垮台不得了。”
5月1日，中国国家主席刘少奇率政府代表团到达金边，开始访问柬埔寨。在刘少奇出访柬埔寨之前，中国政府曾获得国民党特务准备在金边搞爆炸以破坏刘少奇访柬活动的情报，中国驻柬使馆根据西哈努克的意见，建议不定期推迟刘少奇访柬。周恩来经过慎重考虑以后认为：这是新中国国家元首第一次访问柬埔寨，“不定期的推迟对柬访问，政治上不利”。他建议刘少奇按原计划访问柬埔寨，但可以把日期提前，缩小或取消群众场面。为了保证刘少奇在柬埔寨逗留期间的安全，周恩来派专机到河南安阳把前任中国驻柬埔寨大使王幼平接回北京。在请示了毛泽东以后，周恩来作出两项安排：其一，派公安部局长凌云随王幼平去昆明，向在那里休息的刘少奇汇报情况；其二，派王幼平以外交部顾问名义作为刘少奇访问柬埔寨的随行人员，先期抵达金边，以指导中国大使馆同柬埔寨政府商讨安全保卫工作。
在柬埔寨访问期间，刘少奇参观了西哈努克领导的“人民社会同盟”成就展，视察了中国援建的“柬中友谊纺织厂”。刘少奇在双方发表的联合声明中表示：柬埔寨王国政府1962年提出的由扩大的日内瓦会议与会国保证和尊重柬埔寨的中立和领土完整的建议，不仅符合柬埔寨人民的愿望，而且有助于维护东南亚地区的和平。中国政府坚决支持这一建议。在告别宴会的致辞中，刘少奇说：“我们两国在反对帝国主义的侵略和外来干涉、保卫国家主权和领土完整的斗争中，将一如既往，密切合作，相互支持。我们两国人民不仅在今天和睦相处，而且要世世代代地友好下去。”在刘少奇如期顺利地访问了柬埔寨之后，西哈努克感动地说：“中国主席是用生命把友谊送来。”
8月，柬埔寨和南越断绝外交关系。11月初，南越军队哗变，推翻吴庭艳政权。西贡发生的流血政变给西哈努克敲了警钟，他意识道，如果美国中央情报局可以毫不留情地指使南越亲美军官除掉吴庭艳的话，它也可能用同样的办法对付他。西哈努克于1963年11月宣布停止接受美国的军事援助。西哈努克将外来军事援助的希望寄托在中国、法国等友好国家身上，中国和法国都没有让他失望。
中国领导人对西哈努克敢于顶撞美国的独立精神大加赞赏。1964年2月7日，邓小平以代理总理的身份对即将离任的柬埔寨驻华大使西里克·马塔克说：中柬两国友好合作关系十分密切，西哈努克亲王殿下和柬埔寨王国政府给予我们很大的支持。重要的是西哈努克亲王领导下的王国政府有独立的政策，有民族自尊。过去被别人踩在脚底下的状况一去不复返了。美国在你们独立以后想把你们踩在脚下，你们坚决抵抗了。在国际事务中，你们在日内瓦会议上所起的作用难道比其他大国起的作用小吗？当马塔克提到柬埔寨希望召开国际会议保证柬埔寨中立时，邓小平马上表示：我们衷心支持你们召开这个会议。
3月31日，毛泽东在接见朗诺率领的柬埔寨军事代表团时也对西哈努克敢于同美国叫板的作法表示赞许，他说：“你们很坚强，你们的国家包括你们人民和政府一起，敢于与欺侮你们的帝国主义进行斗争，你们不接受美国的控制。”朗诺回答：“这是我们一贯的路线。”毛泽东继续鼓励道：“我们很赞成，很赞成你们的政策。全世界都在注意你们，注意你们停止了美国的军事援助，把美国的军事援助团赶掉。”朗诺告诉毛泽东，美援一直成为美国“强迫我们接受他们的条件的借口，要我们接受他们的观点”。毛泽东表示：“不仅仅如此。你们的国家比印度要小，但是敢于跟强国作斗争，得到全世界反对帝国主义的人民的拥护。在现在的世界上，不对帝国主义作斗争，要存在是有困难的。”西哈努克知道朗诺亲美，派他率领军事代表团访问中国，是为了让中国影响他，改变他的态度。
法国领导人同中国领导人一样，也很同情柬埔寨的处境和困难。1964年1月，法国国防部长皮埃尔·麦斯末（Pierre Messmer）访问金边，同意向柬埔寨提供军事装备，从而恢复了过去法国同柬埔寨的军事合作关系。柬埔寨积极支持中法建交，金边的媒体甚至开始讨论建立“北京-金边-巴黎轴心”，来扩大三国在国际舞台上的合作与影响。
1964年8月初，“东京湾（北部湾）事件”发生。美国约翰逊政府以此事件为借口，在越南进行战争升级，印度支那局势更趋紧张。9月底，西哈努克到达北京，利用参加中华人民共和国15周年庆祝活动的机会，同中国领导人讨论东南亚形势，希望获得中国更明确的安全保证。有西方学者说，西哈努克甚至准备放弃中立立场，提出与中国缔结共同防卫条约。
西哈努克在北京逗留期间，同周恩来举行了三次会谈。周恩来不仅帮他安排同越南南方民族解放阵线、越南民主共和国和老挝爱国战线党代表的三国四方会谈，还向他详细解释了中国对柬埔寨的安全承诺的含义，并安排中国对柬埔寨提供军事援助的事宜。9月28日，西哈努克和周恩来在钓鱼台国宾馆18号楼会客室举行了第一次会谈。西哈努克先通报他同越南南方民族解放阵线代表阮文孝和陈文成谈话的情况，他说，柬埔寨和越南南方民族解放阵线“一贯相互同情”，而美国政府和西贡当局“目前正在污蔑我是越南南方民族解放阵线的同谋犯。但是，将来越南南方民族解放阵线一定能够解放和领导南越，成立政府”。西哈努克告诉周恩来，他向阮文孝和陈文成作了如下表示：柬埔寨愿意让越南南方民族解放阵线在金边派常驻代表团，作为它的正式外交机构，这是给它的一个外交承认，“承认越南南方民族解放阵线就等于向全世界宣布它的合法性，承认它作为南越人民的真正代表”。
西哈努克希望他同越南南方民族解放阵线的合作是互利的。他对周恩来说：“在我提出帮助之前，希望能由他们方面作出一些表示，尊重柬埔寨领土完整、主权，承认柬埔寨的现有边界包括一些西贡现在所要索取的沿海岛屿。这些，他们过去也曾口头表示过，但如果现在能有更正式的，譬如文字方面的协议，就将为柬埔寨和越南今后的谅解奠定了基础。对方在这两个问题上同意我的看法：第一，认为在政治上承认越南南方民族解放阵线对他们有很大的用处；第二，将来的两国关系要有一个基础，这就是承认现在的边界。他们提出了如何具体实现的问题，我表示可以直接谈判，地点是金边或在双方共同友好的国家，如北京、瑞士、捷克或印尼，他们已表示将发电请示其领导。这就是我与越南南方民族解放阵线会谈的情况。我想阁下也不会不同意我的意见。”
周恩来说：他“完全同意”西哈努克的建议，认为他的建议“非常正义，非常有说服力，同时对印度支那和平和东南亚和平将起促进作用”。西哈努克担心他同越南南方民族解放阵线的合作会“引起美国和西贡的报复”。周恩来叫西哈努克不要怕，说“这是英明的措施”。西哈努克表示同意，说“我想它们也不敢作出很多报复，因为已有三个不结盟国家承认了越南南方民族解放阵线，即：古巴、印度、阿尔及利亚”。
周恩来接着对美国的政策作了评估，并向西哈努克作安全保证。周恩来指出：“美国就是要称霸世界。它什么都要管，结果什么都管不好，最后它在各地都要被赶走。它连一个南越都管不好，将来它的一千多个军事基地都要像南越一样，它怎么办？”“美国好像是强大的，但从全面看，美国是虚弱的。十多年前，抗美援朝的时候，我们就准备它向中国全面开火。当我们说‘美国侵略越南民主共和国就是侵略中国’，‘美国侵略柬埔寨，中国就要全力支援’的时候，我们是懂得和准备着美国要全面宣战的。我们有了准备以后，如果它敢来，它就将陷在广大的中国泥坑和人海里。”如果美国“真的打算动手，向柬埔寨和越南民主共和国进攻，向中国进攻，它就失败得更快。”周恩来强调，中国政府要在西哈努克这次访华的联合公报中明确阐述上述立场。他表示：“现在可以说，我们有反对美帝国主义的共同任务，我们的命运是联系在一起的。我们反对它的侵略、战争政策……这个问题要在这次公报中有所表现。”“使殿下在离开北京时能有一个响亮的公报。”
周恩来把话题转到柬埔寨同越南南方民族解放阵线的谈判渠道问题，他提出：“我们愿意提供北京为联系地点之一，张岗（Truong Cang）大使阁下可以和驻我国的越南南方民族解放阵线常驻代表团联系，看看你们刚才所谈判的两点用什么形式表达出来。”西哈努克认为这个办法“很好”。周恩来接着谈两国的军事合作问题。针对柬埔寨提交给中国驻柬使馆的军援货单，周恩来作了四点答复：第一，“就像刘少奇主席昨晚说的：我们基本上可以满足王国政府的需要。第二，还有一部分我们不能提供，比如飞机等。几年以后，我们大批生产了飞机，可以供应。第三，是货单上没有的，而我们还应供应的，例如供应枪炮时，我们就相应地提供枪弹、炮弹等。第四，就是陈毅元帅所说的，我们要相应地帮助柬埔寨建立一个修理枪械的工厂。有关军事援助的具体问题，将由我国的副总参谋长彭绍辉上将与殿下指定的人谈一谈。”
