Международная обстановка, и прежде всего Крымская война, настоятельно требовала четкого разграничения линии российско-китайской границы и урегулировании плавания судов по Амуру и Уссури. 22 мая 1858 года в Айгуне (на правом берегу Амура в 35 километрах ниже современного города Хэйхэ) Муравьев встретился с И Шанем.
Нелегкие переговоры шли шесть (!) дней. Китайская сторона выражала недовольство тем, что Россия заселяет левобережные земли Амура в нарушение Нерчинского договора 1689 года. Российская делегация, в свою очередь, подчеркивала, что Китай первым нарушил Нерчинский договор, поселив группу маньчжуров в устье реки Зеи, а на предложение России совместно оборонять Амур от угрозы вторжения западных держав ответил молчанием. В самый напряженный момент переговоров россияне даже пригрозили применением военной силы.
Тем не менее, 28 мая договор был подписан. Он юридически установил принадлежность России левого берега Амура от реки Аргуни до устья; правый берег Амура до Уссури закреплялся за Китаем. Территория между Уссури и морем "...до определения по сим местам границы между двумя государствами..." объявлялась общим владением России и Китая. Плавание по Амуру, Сунгари и Уссури разрешалось только русским и китайским судам. Разрешалась взаимная торговля русского и китайского населения, проживающего по этим рекам.
В июне этого же, 1858 года Айгунский договор был утвержден китайским императором и ратифицирован Россией. Император Александр II сделал на его тексте надпись: "Лучшего мы желать не можем". А 26 августа за успешное проведение переговоров Николаю Николаевичу Муравьеву был пожалован титул графа Амурского.
Окончательно граница между Россией и Китаем на Дальнем Востоке была определена Пекинским договором 1860 года, который подтвердил Айгунский договор, а также установил прохождение российско-китайской границы по реке Уссури.