孙维世并未照顾周，而是转而去深造。孙维世先在莫斯科东方大学学习，在此期间在课堂上曾与毛泽东前妻贺子珍争执，后进入莫斯科戏剧学院表演系和导演系学习。1940年3月，不少在苏联的中国人已陆续回中国参加斗争，当时中国形势严峻，孙维世不愿回国，于是周恩来、任弼时将林利（林伯渠之女）和孙维世托付给共产国际干部，继续在苏联学习。1941年，孙维世与林彪的妻子张梅来往很多，张梅正在做月子，孙维世却与林彪发生婚外恋。与此同时， 她与已婚的刘亚楼也发生情感纠葛，刘亚楼妻子是中共早期重要领导人苏兆征之女苏丽娃，邓颖超曾