1942年受外相东乡茂德推荐任驻苏大使。当时苏联外长莫洛托夫要求日本海军将扣留的两艘苏联军火船，根据苏日中立条约立即予以释放。佐藤答复说，日美之间已宣战，日本海军有权在公海上检查和截扣可疑的船只。并说，悬挂苏联旗帜的两艘船，是太平洋战争发生以后，美国转让给苏联的，根据国际上公认的海战规则予俘获，日本不予释放。”双方争执不下，谈判紧张。佐藤要求亲自会见斯大林元帅，遭到莫洛托夫拒绝。佐藤并密电向日本内阁建议说：正是发动北进的良机，日苏谈判已处于刀出鞘的破裂前夕，本大使已作好一切准备，立即下旗归国，请内阁召开紧急会议，当机立断，在24小时内给予明确指示。结果日本内阁召开紧急会议，慎重商讨后，认为当前形势和日本国力尚不是对苏作战的恰当时机，可答复苏方，被我海军在公海上扣截的两艘苏联军火船，即予释放。但不保证今后日本海军不再检查和扣截可疑的船舰。此后他还逼着苏联转让北库页岛的石油和煤炭的权利以及扩大日本在苏联领海的渔业权利。