对蒋介石的出尔反尔，周恩来是有思想准备的。因此，针对蒋介石的主张，他明确表示：有关成立“国民革命同盟会”问题，事关重大。必须请示中共中央后决定；有关红军指挥机关及边区政府人事安排等，不能同意，并严词驳斥了蒋介石要毛泽东、朱德“出洋”的无理要求。双方争执很久，中间虽经宋子文、宋美龄兄妹、张冲往返磋商，问题仍没有得到解决。这次谈判没有取得成果。
6月18日，周恩来返回延安，向中共中央汇报了与蒋介石的谈判情况。中共中央专门开会研究了蒋介石的意见。为顾全大局。中共中央决定由周恩来起草，提出了一个新的让步方案：“原则上同意组织国民革命同盟会，但要求先确定共同纲领，以便奠定同盟会及两党合作之政治基础”，“同盟会组织原则，在共同承认纲领的基础上，可同意国共双方各推出同数干部组织最高会议，另以蒋为主席，承认其依据纲领有最后决定之权”。方案同时提出：对具体问题，准备7月中旬发表宣言；提出红军改编后采用国民革命军暂编军、师名义，军、师以上如蒋同意设总指挥，则红军待其名义发表后改编，否则将于8月1日自行宣布改编；陕甘宁边区实行民主选举，在张继、宋子文、于右任三人中选择一人任边区行政长官，林伯渠任副长官；力争朱德为改编后的红军指挥官，毛泽东不拒绝出洋，但非到适当时机不去；不放弃国民大会民主选举的基本原则，但要注意联合各民众政治团体，以促进蒋介石的转变与扩大统一战线。新方案尽可能地照顾了蒋介石提出的要求，是中国共产党再次做出的重大让步，表明了合作的诚意。
为了尽快达成协议，6月22日，周恩来打电报给蒋介石，说明红军师以上必须有指挥机关及指挥人选，党中央同志认为非有此，实无法进行改编，尤以朱德去留影响极大，务请鉴察此间实情，改变方向处置，但蒋介石仍不改初衷。鉴于抗日形势日趋严重，中共中央作好了两手准备：一是准备再作让步，如果蒋仍坚持原议，红军改编后不设指挥机关，改编后红军以政治机关名义指挥，力争朱德为政治主任；一是万一上述要求也得不到满足，就自行宣布改编。
同时，中共中央审慎地分析了国内政治形势和国共两党的现状。考虑到国内和平虽已实现，但国共双方代表的阶级立场截然不同，双方的力量对比异常悬殊，在共同组织形式和共同纲领上是很难达成协议的，因此，决定先发表国共合作宣言，力促抗日民族统一战线的建立，争取党的公开，以利发动抗战。于是决定由周恩来起草《中共中央为公布国共合作宣言》。
7月初，周恩来完成了《中共中央为公布国共合作宣言》起草工作。此时，蒋介石电邀他到庐山谈判。中共中央遂决定派周恩来、博古、林伯渠前往庐山与蒋介石再次进行谈判。
7月4日，周恩来等3人从延安出发，经西安、上海，前往庐山。当他们到达上海当晚，震惊中外的卢沟桥事变爆发了。13日，周恩来一行抵达庐山，开始了第二次庐山谈判。此时，蒋介石、汪精卫正在这里举行庐山谈话会，邀请各方人士聚谈国事。但是，谈话会是蒋介石、汪精卫做主人请客，不是开“圆桌会议，共产党没有参加”。周恩来后来说：“庐山谈话会的时候，共产党没有份，我同林伯渠、博古同志三个人不露面，是秘密的”。上庐山后，周恩来向蒋介石提交了《中共中央为公布国共合作宣言》，蒋的反应十分冷淡。1945年周恩来回忆说：“我们带去起草好的宣言，他要动手改两句，那时候我们还客气，同意他修改了两点。但修改了他也不发表。总想把共产党合法这一点抹杀掉”。这次谈判是在周恩来、林伯渠、博古与蒋介石、邵力子、张冲之间进行的。争论的焦点仍在红军的指挥机关和人事安排问题上。蒋介石在这个问题上，比上次庐山会谈时更加后退。原先蒋介石曾表示：红军改编后在3个师以上设立的政治机关可代行指挥权，这次却通过张冲提出：改编后，“各师须直隶行营，政治机关只管联络”。对蒋介石的出尔反尔，周恩来于15日写信给蒋介石指出，“此与来（周恩来的自谦——引者）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。”这当然是对蒋介石轻诺寡信的严正抗议。
7月17日，鉴于国共谈判没有进展，洛甫、毛泽东致电周恩来，提出：“为大局计，可承认平时指挥人事等之政治处制度，请要求设正副主任，朱正彭副。但战时不能不设指挥部，以资统率。”第二天，周恩来将所拟十二条（包含洛甫、毛泽东电示意见）谈判意见，通过宋美龄转交蒋介石。意见的主要内容有：应允许各报刊转载《中共中央为公布国共合作宣言》，国民党中央发表书面谈话表示赞同；迅速发表陕甘宁边区政府名义，从张继、宋子文、于右任三人中先择一人担任边区政府正职，由林伯渠任副职，边区范围应包括现在所辖的十八个县，边区疆界请国民政府行政院同边区政府共同划定；国共双方派人赴鄂豫皖、闽浙赣、闽粤赣、湘鄂赣等地联络与传达国共合作方针，对南方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；对红军改编的具体意见。
蒋介石仍我行我素，坚持红军改编后不设统一的军事指挥机关，3个师直属行营，各师参谋长由南京派遣，政训处主任只转达人事、指挥，并提出以周恩来为政训处主任，以毛泽东为副主任。周恩来当即予以严正拒绝说：我党决不接受这样的安排。
谈判陷入了僵局。周恩来和博古、林伯渠离开庐山前往上海活动。
此时，因“日军进攻之形势已成，抗战有实现之可能”，中共中央决定对谈判采取“蒋不让步，不再与谈之方针”，要求周恩来、林伯渠留沪观察，等待形势发展。接电后，周恩来等于21日联名致电洛甫、毛泽东，对红军改编提出具体建议：“不管形势如何发展，须立即自行改编三个方面军，各方面军一万五千人，各军师都编入，加强干部配备，使各方面军能独立工作。”（由于抗战形势日益紧迫，蒋介石急需红军开赴前线作战，27日，通过蒋鼎文转告周恩来：红军迅速改编，出动抗日。
7月28日。周恩来返回延安与中共中央面商红军的改编问题，决定3个师以上设总指挥部，朱德任正职、彭德怀任副职。
8月1日，蒋介石电邀毛泽东、周恩来、朱德三人到南京商讨国防大计。中共中央决定，毛泽东不去，派周恩来、朱德、叶剑英三人参加。8月9日，周恩来等人赴南京，参加国防会议，同时与国民党继续谈判，这就是南京谈判。
四、南京谈判：瓜熟蒂终落
中共中央对周恩来、朱德、叶剑英这次南京之行提出的目标是：（一）发表宣言；（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）红军作战计划。
8月9日，周恩来一行飞抵南京。11日，周恩来、朱德参加了国民党政府军事委员会军政部谈话会并分别作了发言。周恩来在发言中提出：在当前战争中，应当培养独立持久作战的能力，在正面防御中，不能够停留于一线与数线的阵地，而应当由阵地战转为平原与山地的扩大运动战，还要采取游击战。这些军事作战思想与毛泽东的游击战思想是一致的。
八一三抗战（即淞沪抗战）爆发的当天，周恩来与朱德、叶剑英联名就与国民党谈判条件向中共中央提出了几点建议：（一）努力抗战，以巩固蒋介石的抗战决心；（二）红军立即改编，争取开动；（三）力争发表《中共中央为公布国共合作宣言》；（四）催促发表红军改编后的正副总指挥。
由于七七事变特别是淞沪抗战的爆发，日本帝国主义已向中国发动了全面的侵略战争，全国各界人民强烈要求团结抗日，这些都不能不使蒋介石改变一下他的顽固态度。尽管他对中共起草的《中共中央为公布国共合作宣言》提出了许多无理要求，如不同意宣言中“民主”提法，要求改为“民用”，要求取消对民族、民权、民生的解释，不同意提同国民党获得谅解、共赴国难等等。但不管怎样，这次谈判终于就两党关系和团结抗日的若干具体问题达成了协议：
第一，蒋介石同意发表红军改编为国民革命军第八路军的训令，改编后设总指挥部，任命朱德为总指挥、彭德怀为副总指挥。使僵持已久的红军改编后指挥及人事安排问题获得圆满解决；
第二，同意中共派人到南方省省游击队传达中共中央的指示并协助红军游击队改编，同意中共在南京、上海等地设立办事处。
第三，关于红军的作战方针，蒋介石、何应钦同意毛泽东提出的红军作战原则：红军充任战略游击支队，只作侧面战，不作正面战，协助友军，钳制并消灭敌人。
在谈判期间，周恩来还使一些被关押的中共重要干部被国民党当局释放。
这次南京谈判历时十多天，尽管在一些重要问题上达成协议，但仍有一些问题没有解决，如边区政府管辖范围、行政长官的人选，国民党向八路军派遣军政干部等。这些问题成为周恩来以后与国民党方面进一步谈判的内容。
在南京期间，周恩来、朱德、叶剑英还会晤了四川省主席刘湘、云南省主席龙云及国民党高层官员冯玉祥、白崇禧、邵力子、于右任等人，为以后与他们的进一步交往打下了基础。8月21日，周恩来离开南京，返回延安参加中共中央政治局会议。
至此，周恩来转辗4个地方，耗时7个月的艰苦谈判结束。
9月22日，国民党中央通讯社发表了拖延已久的《中共中央为公布国共合作宣言》，次日蒋介石发表庐山谈话，实际上承认中国共产党的地位。以上述两件事为标志，抗日民族统一战线正式形成。中华民族从此在抗日民族统一战线的旗帜下，投入到了一场轰轰烈烈的反抗外来侵略者的伟大战争中去，并最终取得了这场反侵略战争的胜利。
西安事变和平解决所奠定的国内和平局面是脆弱的，很不稳固的。这是因为蒋介石在西安事变后，并不甘心与共产党和解，不愿意承认中国共产党的合法地位。1937年2月，国民党五屈三中全会虽然制定了和平统一、修改选举法、扩大民主、开放言论、释放政治犯等原则，但还通过了“根绝赤祸”的决议案。这是蒋介石思想的真实反映。在这种思想支配下，蒋介石企图溶化共产党，对红军总是以“投诚”对待，严重阻碍着国共两党关系的进一步改善，拖延了全面抗战的发动和抗日统一战线的建立。在上述形势下，周恩来受中共中央委托，代表中国共产党同国民党进行了前后长达7个月的艰苦谈判。在中国国民党由内战政策转向合作抗日的过程中，在中华民族掀起全民族救亡斗争的转折关头，他不顾个人安危，不计个人得失，往返奔波于延安和国统区之间，把高度的原则性与策略的灵活性巧妙地用于同蒋介石国民党的谈判桌上，为推动国民党加速实现政策的转变，促成以国共两党合作为基础的抗日民族统一战线的正式形成，为中华民族的独立解放建立了不朽的功勋。