Végül sikerült elérni, hogy 1940. augusztus 16-án, a romániai Szörényváron a két állam delegációi tárgyalóasztalhoz üljenek. Azonban az augusztus 16-24. között lezajlott magyar-román tárgyalások a „süketek párbeszédének” bizonyult. Egyre világosabbá vált, hogy a magyar-román vitát csak a tengelyhatalmak döntőbíráskodása, vagy egy katonai akció oldhatja csak meg. A kétoldalú tárgyalások megrekedése végül odáig vezetett, hogy nem is a magyar, hanem a román kormány kérte fel döntőbíráskodásra Németországot és Olaszországot.
Románia ezért bízott a tengelyhatalmak kedvező döntésében, Horthy és Teleki azonban úgy vélte, még a háború is kedvezőbb lett volna a nagyhatalmak döntésénél, hiszen ezzel Magyarország egyértelműen Németország mellett kötelezi el magát. A náci befolyás növekedése miatt érzett félelmet ráadásul a német–magyar kisebbségvédelmi egyezmény tervezete még tovább erősítette.
A bécsi Belvedere-palotában Ribbentrop német és Ciano olasz külügyminiszter által 1940. augusztus 30-án, délután 3-kor kihirdetett második bécsi döntés Észak-Erdélyt és a Székelyföldet Magyarországnak ítélte, ugyanakkor szavatolta a megmaradt román területek integritását. Ez a döntés tehát főként a magyaroknak kedvezett, s így érthető, hogy az új határvonalak kihirdetésekor Mihail Manoilescu román külügyminiszter el is ájult.
A hatpontos döntőbírói határozatot, már csak a német és az olasz külügyminiszterek írtak alá. A második bécsi döntés kijelölte az új, de „végleges” magyar-román határt, kimondta, hogy a román csapatoknak két hét alatt kell kiüríteniük az átadandó területeket, rendelkezett arról, hogy a Magyarországra átkerülő román nemzetiségű állampolgárok, és a másik országba átköltözni kívánó állampolgárok ügyét „nagylelkűen és előzékenyen kell kezelni”, végül pedig előírta, hogy ha a két fél nem tud megegyezni valamelyik kérdésben, úgy azt végérvényes elbírálás végett a német és az olasz kormány elé kell terjeszteni.