1937年3月下旬，周恩来飞抵上海，会晤了宋美龄，请她将根据中共中央十五条谈判条件拟成的书面意见转交蒋介石。他还会晤了宋子文、蒋鼎文和东北抗日名将李杜。之后，由潘汉年陪同，由上海飞抵杭州，与蒋介石直接会谈。周恩来先向蒋介石说明中国共产党对国共合作的立场是站在民族解放、民主自由、民主改善的共同奋斗纲领上的。中共谋求同国民党的合作，但决不能忍受“投降”、“改编”的诬蔑，重申了在西安谈判中中共提出的十五项谈判条件，并提出了几点具体要求：（一）陕甘宁边区成为整个行政区，不能分割；（二）红军改编后人数必须达四万余人；（三）三个师以上必须设总部；（四）国民党不能派遣副职及政训人员；（五）红军学校必须办完本期；（六）红军防地须增力¨。蒋介石在谈话中承认中央有民族意识、革命精神，是新生力量；承认国共分裂造成军阀割据和日本帝国主义占领中国的局面；要求各自检讨过去的错误；要求共产党不必谈与国民党合作，只是同他个人合作，拥护他为领袖。针对周恩来提出的要求，他表示具体问题都是小节，容易解决，如陕甘宁可以是整个的行政区，红军改编为三个师四万人，可以设总指挥部，国民党不派人破坏中共的部队等。他还语气诚恳地说：希望中共这次改变政策后，与他永久合作，即使他死后，也不要分裂，免得因内乱造成英、日联合瓜分中国的情况出现。因此，他要求商量一个永久合作的办法。周恩来说：“共同纲领是保证合作到底（的）一个最好办法。”蒋介石立即说：那就赶快回延安去，商量合作与纲领问题。周恩来问：有什么具体办法？蒋的回答是：没有，要中共先商量。
4月初，周恩来回到延安。
蒋介石在具体问题上的“爽快”给人的感觉似乎国共之间的一切问题都容易解决，但这并没有使周恩来放松警惕，凭着对蒋多年的了解，他已经看透了蒋介石的内心症结所在。他在代中共中央起草的一份致共产国际的报告中写道：“总观蒋的谈话意图。中心在领袖问题”，“这一问题如能解决，其他具体问题自可放松一些；否则必从各方面给我们困难，企图逼我就范”。
周恩来返回延安后，中共中央立即召开政治局扩大会议，听取他关于杭州谈判情况的汇报。会议认为，谈判的“结果尚好”，“三中全会是国民党基本国策转变的开始”，现阶段“民族矛盾超过国内矛盾，党今后应坚持民族的统一战线方针，不为局部变动而动摇。党在新的环境中应善于利用新的斗争形式”。会议强调：“我党必须在各种斗争中努力争取领导权”。会议决定在抗日救国十大纲领和国民党一大宣言基础上起草民族统一战线纲领，并提议在这个纲领基础上成立包括国共两党及赞成这个纲领的各党派及政治团体的民族联盟。关于合作和统一战线纲领，会议决定由周恩来拟定一个统一战线纲领草案，在下次会谈时向蒋介石提出。
因周恩来事情实在太多，由中共中央宣传部副部长吴亮平起草了《御侮救亡、复兴中国的民族统一纲领草案》，周恩来作了修改。4月20日，中共中央政治局开会讨论《纲领草案》。毛泽东、周恩来、张闻天、博古、朱德等参加了会议。周恩来发言指出：“整个统一战线的原则，第一，要有共同纲领；第二，要有联合的组织，才能行动。可以设想有两种形式，一种是像大革命时期一样，这一形式也有许多困难，不容易实现；另一种是参加联合战线，比较好活动；第三，在承认我们共同纲领的条件下，可以承认蒋为领袖。”关于联合组织的名称和组织原则，周恩来认为最好用民族统一联盟。凡各党派、各革命团体均可参加；联盟中保持各组织的独立性，允许自由退盟。关于中国共产党，他提出要坚持三个原则，即组织上的独立性，不能断绝同国际的关系，要有代表无产阶级的阶级性，这些原则必须在统一战线中得到承认。
4月25日。周恩来一行离开延安前往西安，准备南下与蒋介石继续会谈。周恩来与张云逸等一行在一个警卫班的护卫下，乘坐一辆卡车行至离延安约60里的甘泉县劳山附近时，突遭预先埋伏的200多名土匪从正前方、左边和后边向周恩来所坐的卡车发起攻击，形成了三面包抄之势。土匪的火力很猛，当时一些随从人员在车上就牺牲了。危急时刻，周恩来表现得沉着冷静。他不等卡车停稳，立刻招呼车上的人：快下车！散开，还击！自己从车上跳下来，一面指挥还击，一面指挥人员向右边的密林转移。在激烈的战斗中，延安卫戍司令部参谋长兼周恩来的随从副官陈友才、警卫队副队长陈国桥等10多人牺牲。土匪从牺牲的陈友才身上找到了周恩来的名片，误将陈友才当作了周恩来，加上附近的红军听到枪声赶来增援，于是慌忙逃窜。周恩来一行幸运地脱离了危险。脱险后，周恩来一行仍回到延安。事后查明，土匪的这次突袭是从红军内部得到情报，专门针对周恩来而来的。
当天晚上，周恩来给西安红军联络处叶剑英打电报，要求顾祝同派军用飞机到延安接他。第二天，顾祝同派飞机将周恩来接到西安。在西安期间，周恩来就红军的经费发放、越冬寒衣、河西红军问题。同顾祝同进行了商谈。
他没忘记杨虎城这位老朋友。因蒋介石威逼杨虎城出国，周恩来还专门就此事与杨虎城、顾祝同、张冲会商解决办法。他还向中共中央提出建议，致电蒋介石挽留杨虎城，并发表公开文章，明确表示对南京政府逼迫杨虎城出国、裁撤西安绥靖公署的不满。在与杨虎城会谈时，周恩来还就中共中央《御侮救亡、复兴中国的民族统一战线纲领草案》内容向杨虎城作了通报并征求他的意见。杨虎城对此完全同意。他向周恩来表示：自己出国考察一段时间，一旦对日作战，他将回国请缨抗战。对这位西安事变期间认识的老朋友，周恩来希望他在出国前多做一些第十七路军的团结工作，并真诚向他表示：中共将尽力协助，以促使其早日回国参加抗战建国工作。西安事变功臣之一杨虎城将军被逼出国考察，让周恩来不胜唏嘘！然而，让他万万想不到的是，此次西安一别，竟成了他与杨将军的永诀。1937年抗日战争全面爆发后，杨虎城将军回国准备参加抗战，蒋介石竟下令将将军逮捕，并长期关押。尤其令人发指的是：1949年国民党政权败退台湾前夕，睚眦必报的蒋介石下令将将军一家四口残忍地杀害！此后，周恩来每当想到西安事变的两位千古功臣张学良将军、杨虎城将军竟然一人受到长期软禁，一人惨遭毒手时，都禁不住潸然泪下。
在西安期间，周恩来还与顾祝同、张冲就国民党方面派人考察边区达成了协议，并促成了考察团成行。国民党当局为了了解苏区和红军的真实情况。同时也是为在谈判中增加筹码，会谈中，顾祝同、张冲向周恩来提出要派人视察边区。周恩来对此表示同意，但提出了两条原则：一是不能用视察团的名义，只能称考察团；二是考察团不能让特务康泽和中共叛徒参加。经请示延安同意后，国民党组建了“国民党政府军事委员会委员长西安行营考察团”，全团共21人，于5月29日到达延安。周恩来指派叶剑英、陈赓等陪同。考察团在延安考察了3天，受到边区政府和毛泽东、朱德、张闻天、博古、林伯渠、董必武等中共中央领导人的热情接待。考察团负责人与毛泽东、朱德举行了单独会谈。考察团还参观了延安抗日军政大学、边区政府等，并到红军一、二、四方面军驻地，观看了红军的装备、训练等。考察团一行在边区考察了半个月，团员对边区和红军有了切身的了解，一些团员不再把红军看做是没有文化的“土匪”，而是认为红军是一支有文化有纪律有组织的队伍。此次考察是国民党方面对边区首次实地“侦察”。对于国共双方的相互沟通和了解，有着一定作用。考察团成员通过考察，对中共建立抗日民族统一战线政策有了切身的体会，消除了原先对红军和共产党人的一些误解。正如毛泽东所说，“外来的考察团先生们在他们集合了各种材料，加上他们‘想了一想’之后，他们就能够作出‘共产党的抗日民族统一战线的政策是彻底的、诚恳的和真实的’这样一个判断了。在他们作出这个判断之后。如果他们对于团结救国也是真实的话，那么他们就能够进一步作出这样的结论：‘抗日民族统一战线是能够成功的’”。让国民党官员用自己的眼睛来观察了解边区和红军，这无疑是此次考察对中国共产党最大的收获。
6月4日，周恩来飞抵庐山，与蒋介石继续会谈。庐山谈判开始。
三、庐山谈判：蒋介石出尔反尔，周恩来针锋相对
6月8日～15日，周恩来与蒋介石进行了多次会谈，宋子文、宋美龄也参加了会谈。此次会谈，周恩来带来了中共中央起草的《御侮救亡、复兴中国的民族统一纲领草案》。草案的内容分三部分：（一）对外抵御日本帝国主义侵略，取得中华民族的独立；（二）对内实施宪政，保障民主自由；（三）发展国防经济，改善民生，以彻底实现孙中山的三民主义。细则共五十二条。此次谈判验证了周恩来当初对蒋介石的判断。蒋介石一改杭州谈判时爽快的承诺。完全撇开中共中央提出的《纲领草案》，另外提出了成立“国民革命同盟会”的主张，具体办法是“国民革命同盟会”由蒋介石指定国民党若干人参加，共产党推出同等人数共同组成，蒋任主席并有最后决定权。两党一切对外行动及宣传统由“国民革命同盟会”讨论决定，然后执行，纲领亦由同盟会加以讨论。同盟会可与“第三国际发生替代共党关系”。蒋介石提出的这个办法，其意图是十分明显的：就是要通过这种形式，把共产党从组织上熔化掉，既无法在同盟会内部有自己的独立性，也无法与共产国际发生关系。这样，共产党组织存在的必要性就不言而喻了。
对国共合作中急需解决的具体问题，蒋介石也一改杭州会谈时的“爽快”，食言而肥。如杭州谈判时，他答应：红军改编后设总司令部，这次却只允许“三个师以上设政治训练处指挥之”，公然要求毛泽东、朱德“出洋”，南方各省游击队“实行编遣，其首领须离开”。对陕甘宁边区政府组成人员，蒋介石仍坚持由国民党政府“派正的官长”，中共选派副职，不再提“允许共党适时公开”问题，反而要求中共派代表参加国民大会时“不以共党名义出席”。
