在杭州时蒋介石有许多承诺，这次会谈也变了。比如，原来他同意三个师之上设总司令部，这次只答应“设政治训练处以指挥之”，并无理提出“朱先生、毛先生出洋”。各地区的武装也要“实行编遣，其首领须离开”。对共产党公开的问题不再提起，反而规定中共代表参加国民大会时“不以共产党名义出席”。周恩来对蒋介石态度的变化是有思想准备的，他表示：组织革命同盟会事关重大，必须请示中共中央才能决定；三个师之上设政治训练处，不能同意；要朱、毛出洋是没有道理的；经与宋子文、宋美龄、张冲反复磋商，仍不能解决。
6月18日，周恩来回到延安。中共中央书记处研究蒋介石的方案，决定为了顾全大局，可再作让步，原则上同意组织国民革命同盟会，但要先确定共同纲领，而后承认蒋介石根据共同纲领有最后决定权。准备在7月中旬发表宣言，如果蒋介石同意设立总的军事指挥部，红军即待其名义改编，否则于8月1日自行宣布改编。力争朱德为红军改编后的指挥官，推荐张继、宋子文、于右任三人中择一人任特区行政长官，林伯渠任副长官。这个新方案是照顾蒋介石的要求、委曲求全的方案。周恩来于22日致电蒋介石，强调三个师之上如无指挥机关，无法进行改编。朱德不能离开军队。同时致电顾祝同、张冲等，声明朱德去留影响极大，请向蒋介石进言，朱不能离去。这些要求蒋介石都没有同意。
由于蒋介石反复无常，使这次谈判陷人僵局。
6月26日，南京方面电邀周恩来继续谈判。中共中央决定，待国共两党合作宣言拟好后，周恩来再上庐山。
7月4日，周恩来带着这个宣言，偕同博古、林伯渠到达西安，7日来到上海。就在这天晚上爆发了震惊中外的芦沟桥事变。中国军队奋勇抵抗日寇的侵略，伟大的抗日战争开始了。第二天，中共中央通电全国，号召同胞、政府和军队“团结起来，筑成民族统一战线的坚固长城，抵抗日寇的侵掠。”
全面抗战势在必行，斗争将是长期的，我们有很多工作要做。在上海，周恩来和博古、林伯渠会见了担任联络工作的潘汉年和即将担任江苏省委书记的刘晓，指出形势急剧变化，上海、北平都将发生意外事件，我们思想上应有所准备。应抓住全面抗战的时机，放手发动群众，组织群众，要以文化界为基础，搞好上层进步人士的统一战线工作。群众工作要稳扎稳打，公开工作和秘密工作结合起来，注意积蓄革命力量，既反对关门主义，也反对冒险主义。周恩来的这些指示，对曾经遭到严重破坏的上海地下党工作的恢复与发展，起了重要的指导作用。
在上海，周恩来还指示夏衍以进步文化人的身份，多做统战工作，工作方式可多种多样，但一定要争取公开合法。要争取在国民党统治区办一张报纸。并和博古、林伯渠一起，拜访宋庆龄，征求宋庆龄对《中国共产党为公布国共合作宣言》的意见。宋庆龄表示支持。
为使此次谈判取得进展，7月9日，彭德怀、贺龙、刘伯承、林彪、徐向前、叶剑英、左权、萧克、徐海东给在庐山的林森、蒋介石、汪精卫等及全国军政长官发出通电：“当华北危机存亡之紧急关头，敬敢吁请我国民政府迅调大军增援河北，勿使忠勇的二十九军陷于孤军作战，红军愿即改名为国民革命军，并请授命为抗日前驱，与日寇决一死战。”
7月13日（或14日），周恩来和博古、林伯渠一行到达庐山。随即向蒋介石递交《中国共产党为公布国共合作宣言》。14日，中共中央又致电南京政府表示，愿意在蒋介石指挥下努力抗战，红军准备随时出动抗日，已令各军十天内准备完毕，担负起平绥线的抗日任务。
蒋介石却报以冷淡态度。当时蒋介石、汪精卫正邀请各方面人士在庐山举行谈话会，要他们就国事发表意见，中共代表却被排除在外。
14日，周恩来会见张冲。原来蒋介石曾答应三个师之上的政治机关可以代行指挥权，张冲却告诉周恩来说：“蒋委员长坚决各师须直属行营，政治机关只管联络，无权指挥。”这又是向后退了一大步。第二天，周恩来不得不写信给蒋介石，指出：“此与来上次在庐所面聆及归陕向党中诸同志所面告者出入甚大，不仅事难做通，且使来一再失信于党中同志，恐碍此后各事之进行。”周恩来已暗示蒋介石，如果这样出尔反尔，谈判恐难继续进行。
直到17日，周恩来、博古、林伯渠才同蒋介石、邵力子、张冲举行谈判。周恩来向蒋介石建议，以《中国共产党为公布国共合作宣言》为国共两党合作的政治基础。在谈判中，发生了激烈的争论。争执的焦点是红军改编的指挥和人事问题。蒋介石态度未变，因而谈判没有解决问题。18日，周恩来将急需确定的问题写成十二条，通过宋美龄交给蒋介石。主要内容有：应许各报刊载《中共中央为公布国共合作宣言》，国民党中央发出书面谈话表示赞同；迅速发表陕甘宁边区政府名义和负责人；国共双方派人分赴南方苏区联络与传达国共合作方针，对红军游击队实行改编；允许中共在延安出版的《解放》周刊在全国发行。17日，张闻天、毛泽东致电周恩来、博古、林伯渠，指出：从大局出发，在谈判中对红军改编后的指挥机关可以承认平时设政治处指挥，朱德为正主任，彭德怀为副主任。但战时不能不设军事指挥部，以资统率。这项内容也包括在十二条之中。蒋介石仍坚持红军改编后不设统一的指挥机关，三个师直属行营，三个师的参谋长由南京派遣，政治主任只能转达人事、指挥，可以周恩来为主任，毛泽东为副主任。周恩来严正表示对蒋介石的意见不能接受。这次谈判仍无结果。
中共方面已到无可再让的地步。当时日本侵略军正大举入侵华北，二十九军将士英勇抵抗，华北以至全中国人民主张坚决抗战，反对动摇妥协。许多国民革命军将领及国民党地方党部公开通电要求抗战。南京政府也表示了强硬态度，调动军队增援河北、山西、绥远。
17日，蒋介石不得不在庐山发表谈话说：“如果战端一开，就是地无分南北，人无分老幼，皆有守土抗战之责任，皆应抱定牺牲一切之决心。”全面抗战已成不可阻挡的潮流。张闻天、毛泽东于20日致电周恩来、林伯渠指出：“日军进攻之形势已成，抗战有实现之可能。我们决采取蒋不让步不再与谈之方针。”于是周恩来回到上海，观察形势的变化。21日，周恩来、博古、林伯渠致电朱德、彭德怀等红军将领，建议不管形势如何变化，须“立即自行改编三个方面军、六个单位的统一组织，每个方面军编足1.5万人，独立军、师都编人，加强干部，使各方面军都能独立工作。”
26日，周恩来、博古、林伯渠回到西安，把庐山谈判的详情电告中央。他们三人虽然经过紧张的谈判和旅途的劳累，但仍精神饱满，我就抓着机会给他们照了一张合影。
27日，周恩来与蒋鼎文会谈。蒋鼎文转告蒋介石催促红军迅速出动抗日的意见。周恩来回答：“这没有问题，国民党应当立即发表《中共中央为公布国共合作宣言》。”第二天，他即和博古、林伯渠返回延安。中共中央召开会议，研究红军改编出动抗日问题，决定争取西安行营同意，红军集中三原改编，三个师以上设总指挥部，朱德任正职，彭德怀任副职。这时朱德、彭德怀等都在云阳。30日，周恩来也赶往云阳，安排红军改编事宜。
南京谈判合作达成
北平、天津于7月29日、30日先后沦陷。
蒋介石拟召开国防会议，商讨抗日事宜。8月1日，毛泽东转来张冲急电：蒋介石密邀毛泽东、朱德、周恩来速至南京共商国防问题。第二天周恩来根据中央决定复电张冲：如开国防会议，他与朱德、叶剑英同去。
8月3日，毛泽东、张闻天来电：在南京谈判中要解决：一、发表国共合作宣言；二、确定政治纲领；三、决定国防计划；四、发表红军指挥系统及确定初步补充数量；五、红军作战方针。
8月6日，周恩来、朱德从云阳总部到达西安。9日偕同在西安的叶剑英，和从云南来的龙云同乘一架飞机抵南京。我作随员，同机到达。一下飞机，就受到邵力子、张冲等人欢迎，并参加午宴。
11日，周恩来和朱德在国民政府军事委员会军事部的谈话会上分别发言。周恩来强调在当前战争中，必须培养出可以独立持久的能力。在正面防御上，不可以停顿于一线或数线的阵地，而应当由阵地战转为平原与山地的扩大运动战。另一方面，则要采取游击战。周、朱代表中共的意见，对国民政府军事委员会制定全国抗战的战略方针，产生了积极的影响。