美军继朝鲜战争失败之后，好不容易从越南战争的“泥潭”中拔出腿来。两军交战必交恶，这时的美朝关系和美越关系降到了冰点。而作为坚决支持朝鲜和越南反对外来侵略的中国，与美国的关系也一直处于敌对状态。朝鲜停战协定签订，也并没有使干戈化为玉帛。1954年，解决朝鲜和印度支那和平问题的国际会议将在日内瓦召开。由于中国在解决上述两个地区的问题中具有举足轻重的作用，使得一直对中国持敌视态度并坚持“老死不相往来”的美国，只好同意苏联外长莫洛托夫的建议，邀请中国派代表团参加日内瓦会谈，共商朝鲜和印度支那的和平问题。这就应了中国“不是冤家不聚头”那句老话，中美两国自板门店谈判后，又一次坐在了同一张会议桌上。
多年的敌对状态，双方在会议上对一些重大原则和是非问题针锋相对、互不让步是显而易见的，甚至连相互交往的起码礼节也涂上了浓浓的政治色彩。美国国务卿杜勒斯这位反共的死硬分子，在会前向他的代表团成员发布禁令，不准与中共代表团成员握手。然而，美国代表团成员中的有识之士却认为，中华人民共和国的存在，是一个无法回避的现实，不管你承认它，还是不承认它，都不可能完全不打交道，否则日内瓦会议请人家来干什么？于是，就有了美国副国务卿史密斯对周恩来总理在会下套近乎的不寻常举动。
日内瓦会议即将结束的最后一天，史密斯主动来找周恩来攀谈，他微笑着对周总理说：“会议即将结束，我感到非常荣幸和高兴能够在这里和你认识。中国代表团在这次会议上发挥了很大作用。我们希望不管朝鲜也好，越南也好，都恢复和平。”说罢，他抓住周总理的胳膊使劲摇了摇，然后笑眯眯地走开了。史密斯此举虽遵守了杜勒斯规定的纪律，没有与周恩来握手，但用摇胳膊的方式表达了与握手同样的友好愿望。
其实，美国在会议期间还有更具实质性的主动与中共代表团接触的表示。
日内瓦会议期间的5月19日，周恩来正在自己的房间里阅读会议文件和有关资料，我代表团成员宦乡推门走了进来，向周总理汇报了一个重要情况。
他说：“今天，英国驻华代办杜威廉对我说，他愿以私人身份就在华美侨问题和在美华侨问题作一个中美之间的中介人。”
周恩来听了宦乡的汇报，立即联想到中国有一批留学生和科学家被扣留在美国，其中包括钱学森等著名的科学家。他们对于新中国来说可是宝贵的“财富”呀。
“美国方面是想要回我们在朝鲜战场上俘虏的美军和一批在中国犯了罪的平民。”宦乡的话打断了周恩来的思考。周恩来说：“我们也有一大批留学生和科学家被扣留在美国，我们应利用这个机会让他们回到祖国的怀抱。”他一边思考一边对宦乡说，“在中美关系如此紧张的情况下，我们应该抓住美国急于要求在华被押人员获释的意愿，开辟新的接触渠道。……这个问题你需留心一下，看美国方面下一步怎么走。如果美方再试探，可以同意经英方中介进行直接接触。另外，可根据美方的态度，确定在什么地方举行谈判。但谈判中首先要联系中国留美学生和科学家被扣问题。”为了掌握主动，5月27日，我国代表团发言人向新闻界发表了关于美国无理扣押我国侨民和留学生的谈话。同时表示，中国愿意就被扣押人员问题同美国举行直接谈判。
美国立即作出积极的反应，在杜威廉的撮合下，经过6月1日和4日两次接触，最后达成协议：美国代表团指定其驻捷克斯洛伐克公使约翰逊为代表、国务院远东司副司长马丁为助手与中方接触；中方由王炳南为代表、柯柏年为助手与美方接触。根据美方的建议，中方同意接触地点在“国联大厦”。
6月5日上午10点，中美双方在日内瓦“国联大厦”进行了第一次会谈。这次会谈的地点是美方选择的。由于当时美国还没有承认中华人民共和国，约翰逊为避免形成两国政府正式谈判的气氛，有意选择了“国联大厦”里一间没有桌子，只有几套沙发的会客室，给人以会客的感觉，可谓用心良苦。
第一次的会谈进行了约半个小时。一阵寒暄之后，约翰逊提出，在华被扣的美国人共有83人，希望中方能让这些美国人早日离华返美。我方代表王炳南表示，希望美方就今天提出的问题，提交一份具体名单。关于在美国被扣留的中国侨民和留学生问题，中方将在以后的商谈中提出。
6月10日，双方举行了第二次会谈。这次会谈的地点由我方选择。为了与美国代表团针锋相对，中方在“国联大厦”选了一个房间，有意在房间里摆了一张大长桌子。我方坐一边，美方坐一边，形成两国政府正式谈判的气氛。
会谈一开始，约翰逊提交了一份所谓被中国政府扣留的美国侨民与军人的名单，并要求中方给予这些人早日回国的机会。对此，王炳南作了原则性的答复。他说：只要双方都有解决问题的诚意，这个问题是不难解决的。在中国的美国侨民，只要他们遵守中国的法律，他们是会得到保护的。他们可以在中国境内居留，从事合法的职业。如果他们为了某种原因要离开中国回美国去，只要他们没有未了的刑事案件或民事案件，他们随时都可以走。实际上，自中华人民共和国成立以来，已经有1485名美国侨民离开了中国。至于在中国从事间谍和破坏活动的极少数美国人，他们被扣押是罪有应得的。你方交来的名单，我们将进行研究并在下次会谈中予以答复。关于美国政府扣留中国留学生的问题，我们准备在下次会谈中提出。6月15日，中美举行的第三次会谈。王炳南首先答复了美方6月10日提出的被拘禁在中国的美国人与家属通信等问题。接着，他就美国政府无理扣留我国留学生问题与之进行了严正交涉。王炳南郑重指出：中国现有5000多名留学生在美国，有不少留学生要求回国，但遭到美国政府的百般刁难，禁止他们申请离境，甚至威胁说，谁要是违反这一命令，将被判处50000美元以下罚款或者5年以下徒刑，或者同时予以两种处罚。这是毫无道理的。我们要求美国政府立即停止扣留中国留学生，并恢复他们随时离开美国返回中国的权利。至于居留在美国的中国侨民也同样应享有随时回国的权利。
对此，约翰逊辩解说：“扣留中国的学者完全是按美国的法律行事的。”王炳南明白，他所说的法律是指在朝鲜战争期间，美国政府发布过的一道命令，规定凡是高级物理学家，其中包括受过像火箭、原子能以及武器设计这一类教育的中国人，都不准离开美国。针对约翰逊的狡辩，王炳南反驳道：“这是无理的规定，应该予以废除。”
在中美双方举行的第四次会谈中，约翰逊仍然打出“法律”牌为美方扣留我留学生辩解，遭到王炳南又一次的严厉驳斥，双方不欢而散。
1954年7月21日，日内瓦会谈结束。从1954年9月2日起到1955年7月15日，有关侨民回国事，中美双方继续在日内瓦举行领事级会谈。然而，在前后共举行的17次会谈中，由于美方缺乏诚意，会谈未取得任何成果。
日内瓦会议上的中美会谈虽然没有达成任何协议，但它却为此后15年中美大使会谈打开了大门。
1954年日内瓦会议以后，美国并不甘心它在日内瓦会议上的失败。作为对我国的报复，美国政府与台湾的蒋介石集团于1954年12月2日签订了所谓“防御条约”。这个条约的目的，一是美国企图使其侵占台湾的行为合法化；二是以台湾为基地，扩大对中国的军事对抗和准备新的战争。为了表明中国人民解放台湾的决心，打击美蒋的“共同防御条约”，我中国人民解放军于18日发动攻势，一举解放了一江山岛，之后又解放了大陈岛。12月底，中国政府又扣押了13名在中国从事破坏活动的美国间谍。
面对形势的发展，美国意识到军事讹诈吓不倒英勇无畏的中国人民，也认识到拒绝与中国接触的政策是失败的。因此，1955年1月，美国授意联合国秘书长哈马舍尔德通过印度的中介以他个人的名义访华，实际上是想来试探我将如何处置13名美国间谍以及其他情况。我国政府同意了他的来访。在会谈中，周恩来向他指出，联合国在我代表权问题和朝鲜战争问题上的立场是不公正的。同时重申，是美国跑到远东来制造紧张局势，美国应停止干涉中国内政，从台湾和台湾海峡撤走军队。为了真诚地表示中国人民热爱和平的美好愿望，1955年4月23日，周恩来又就中美关系问题发表了一个历史性的声明：“中国人民同美国人民是友好的。中国人民不想同美国打仗。中国政府愿意同美国政府坐下来谈判，讨论缓和远东局势的问题，特别是缓和台湾地区的紧张局势的问题。”
周恩来的声明立即在全世界引起了强烈的反响，赢得了国际舆论的好评。许多国家，特别是参加亚非会议的国家，都向美国施加压力，希望美国能响应周恩来的号召，同中国政府直接谈判。7月13日，美国政府通过英国向中国建议，中美双方互派大使级代表在日内瓦举行会谈。从此，中美两国开始了长达15年之久的“马拉松”式的大使级会谈。
1955年8月1日，中美第一次大使级会谈在瑞士的日内瓦“国联大厦”内举行。我方代表是驻波兰大使王炳南，美方代表恰好是王炳南在日内瓦会议中交锋过的对手，美驻捷克斯洛伐克大使尤·阿·约翰逊。
为表示中方对这次中美大使级会谈的诚意和所持的积极态度，7月31日，即在会谈开始的前一天，中国最高人民法院军事法院按照中国的法律程序作出判决，提前释放阿诺德等11名美国间谍。
由于中方宣布释放美国间谍，因此第一次的会谈气氛较为轻松愉快。双方较顺利地达成了会谈议程的协议：一是讨论遣返双方侨民问题，二是讨论双方有争执的其他实际问题。
8月2日，中美举行第二次会谈。约翰逊称，有36名美国平民仍被扣留，此事影响美国人民及政府对中国的态度。王炳南则说：“在美国的中国侨民，绝大多数人的家属都在中国大陆。长期以来，由于美国政府的限制和在实际上所造成的困难，他们不能自由返回祖国，无法回到各自的家庭。这个问题不仅是他们所迫切要求解决的问题，也是中国人民和中国政府所一向非常关心的问题。”
王炳南发言以后，约翰逊对美国阻挠中国侨民和留学生回国一事做了辩解，声称美国政府绝对没有阻碍中国学生离开美国。针对约翰逊信誓旦旦的保证和声明，王炳南在8月4日举行的第三次会谈中以钱学森被阻挠回国为铁证，戳穿了约翰逊所说的“美国绝对没有限制中国留学生回国”的谎言，郑重指出：“据美国出席日内瓦会议代表团1954年5月29日声明，截至1954年4月30日，持有中国学生护照的留美学生共计5242人。因为从1951年6月到1955年4月1日美国政府禁止中国留学生自由回国，违者课以50000美元罚金和5年监禁，许多想回国的留学生都不敢申请。今年6月15日，钱学森仍然来信给我全国人民代表大会常务委员会副委员长陈叔通先生，要求我政府帮助他回国。”他强烈要求美国政府立即恢复钱学森返回祖国的权利。
在确凿的事实面前，约翰逊再也无法辩解，美国政府不得不准许钱学森等人回国。
中国政府与美国政府就钱学森回国所进行的斗争告一段落后，双方就被遣返侨民问题反复进行了多次会谈。经过多方努力，终于达成了这样一个两国大使声明的协议：“中华人民共和国承认在中华人民共和国的美国人愿意返回美利坚合众国者享有返回本国的权利，美利坚合众国承认在美利坚合众国的中国人愿意返回中华人民共和国者享有返回本国的权利，并宣布已经采取、且将继续采取适当措施，使他们能够尽速行使其返回的权利。中华人民共和国和美利坚合众国分别委托印度和英国政府协助中华人民共和国和美利坚合众国平民返回本国。”
这是中美大使级会谈中达成的唯一一份正式协议。
中美侨民问题达成协议之后，中美大使级会谈便进入讨论问题的第二阶段。但美国在第二阶段的会谈中，采取了极为敷衍的态度，在第一个阶段已经解决了的问题上继续纠缠，以致会谈拖泥带水，几乎寸步难行。
1955年9月20日，中美会谈再次开始。约翰逊绕开实质性的问题，首先提出要讨论在朝鲜战争中失踪的美国士兵的问题。
王炳南拒绝讨论这个问题。他说：“关于在朝鲜军事人员问题，应该让板门店停战委员会去谈，我们没有必要谈这个问题。”
于是，约翰逊又提出第二个问题：“在台湾问题上，中美双方应保证不诉诸武力。”
王炳南根据周恩来总理的指示，严正地回答约翰逊：“美国侵占台湾已经构成了国际争端，台湾海峡的紧张局势已影响到远东和东南亚的和平、稳定与安全。造成这种局势的，首先是美国在台湾的军事存在，它是针对中华人民共和国的。美国应该放弃对我国使用武力，从台湾和台湾海峡撤出它的一切武装力量。”接着，他又继续说：“台湾在历史上、法律上和事实上都是中国不可分割的领土，中国人民愿意用什么方式解放台湾，这是中国的内政，美国无权干涉，更无权要求我们不使用武力。”双方各执一辞，谈判再次陷入僵局。
为了争取主动，10月27日，我方就美国提出的“双方保证不诉诸武力”的问题提出了一个协议草案：“中华人民共和国和美利坚合众国同意，它们应该用和平方法解决它们两国之间的争端而不诉诸武力；为了实现它们的共同愿望，中华人民共和国和美利坚合众国决定举行外长会议，协商解决和缓和消除台湾地区紧张局势的问题。”
约翰逊拒绝签署这个协议草案。近半个月后，美国又提出了他们起草的对案，称“一般来说，美利坚合众国放弃使用武力……一般来说，并特别对于台湾地区来说，除了单独和集体的防御外，中华人民共和国放弃使用武力。”
我方拒绝了美国的这一协议草案。指出，美国要求在台湾地区拥有“单独和集体的防御”权利，目的是要中国政府承认美国霸占台湾的行为合法化，让我们放弃解放台湾的权利。
尽管如此，我方仍以极大的耐心，继续努力。12月1日，王炳南提出了一个新的草案。该草案为照顾到美国不愿明确提联合国宪章条款和两国外长会谈的问题，只提“应该通过和平谈判解决它们两国之间的争端而不诉诸威胁或武力”。但美方却毫无诚意，约翰逊只是一味地拖延时间。在这之后的3次会议上，他都拒绝对我方的新草案作任何具体的评论，采取不置可否的态度。直到1956年1月12日，他仍坚持要求中国方面承认美国在台湾地区拥有“单独和集体的自卫的固有权利”。
1956年4月到5月间，美方和中方各提出一项新协议草案，但均未获通过。
时间在一轮又一轮往复进行的会谈中流逝着。由于美国对中美会谈采取“拖而不断”的方针，到1957年12月，各种会谈已进行了73次，各种文本已堆积如山，但会谈仍未取得任何结果。
12月12日，美方以约翰逊调任美国驻泰国大使为由，提出让他的副手埃德·马丁参赞接替约翰逊参加谈判，目的在于使会谈降级。当王炳南将这一情况向周恩来汇报后，周恩来果断地说：“既然美国不愿意谈，我们也可以中止谈判。我们不愿谈判破裂，但我们不怕谈判破裂。美国如果想打仗，我们也可以奉陪。”中美谈判，终因美方设置人为障碍而被迫中断。
中美大使级谈判中断后，美国为了扩大对中国的威胁，继与蒋介石签订《共同防御条约》之后，又于1958年7月积极鼓动蒋介石集团“反攻大陆”，怂恿国民党加强对大陆的骚扰，并从本国和地中海调派了大批军舰、飞机，加强了第7舰队在台湾地区的活动。在美国的支持下，蒋介石集团派出飞机，在大陆各地甚至远至云、贵、西康、青海等省散发传单，空投特务，轰炸福建，骚扰江浙，“反攻大陆”的叫嚣和破坏活动甚嚣尘上。一时间，台湾海峡硝烟弥漫，情势险恶。
为了严惩蒋帮的猖狂活动，打击美国嚣张气焰，我中国人民解放军从1958年8月23日开始对金门、马祖等岛屿进行惩罚性的炮击，至10月25日又宣布单日打炮，双日不打。炮击十分猛烈，突如其来，吓得蒋介石惊慌失措，魂飞魄散，连忙打点行装准备搬家，把他的一个经济部转移到了乡下。美国也一时慌了手脚，艾森豪威尔、杜勒斯以及许多美国高级官员十分惊恐，连夜召开紧急会议，商讨对策，决定从西海岸调兵赴台，还从地中海调了一个舰队到台湾海峡集结。与此同时，美国国务卿杜勒斯于9月3日拜谒艾森豪威尔于新港，发表了一项声明，对大陆提出严重的警告，称“中共对中华民国金马外岛发动疯狂炮战后，威胁着中华民国对该岛的运输补给，有赖美国第7舰队的武装护航”。杜勒斯进一步扬言要把美国在台湾海峡的侵略范围扩大到金、马等中国沿海岛屿，甚至以原子弹相威胁。
为了阻止美国的护航，我国乃于“新港声明”发表的同一天宣布：“一、中华人民共和国领海宽度为12海里，此项规定，适用于中华人民共和国所有的领土，包括中国大陆及其沿海及岛屿，也包括台湾及其周围的岛群，如澎湖列岛、东沙群岛、西沙群岛、中沙群岛、南沙群岛及所有属于中国而被公海与大陆分开的各岛屿及其沿海岛屿。二、任何外国军事用途的船只与航空器，非经中华人民共和国政府的允许，不得进入中国领海或飞赴中国领海的上空。”
9月6日，周恩来总理针对美国的行动发表公开声明，指出：“台湾和澎湖列岛自古就是中国的领土，中国一定要解放台湾和澎湖列岛。解放台澎金马是中国的主权，任何外国不得干涉。若美国不顾中国的再三警告，把战争强加于中国人民头上，则美国政府必须承担由此产生的一切严重后果。”在声明的最后，周恩来呼吁，“我们提议中、美两国政府坐下来谈判，限期指派大使，恢复被美国单方面中断了的大使级会谈。”
在摸不清中国底细的情况下，当天，美国政府就表示欢迎周恩来的建议，并同意恢复中美大使级会谈。
中央决定再次派驻华沙大使王炳南出任中美大使级会谈代表。在国际舆论的关注下，美国政府被迫指派美国驻华沙大使雅各布·比姆作为重开谈判的代表，而且不再坚持会谈地点必须在第三国举行。由于王炳南与比姆同驻华沙，会谈地点也从日内瓦转移到了华沙。
1958年9月15日，中美大使级会谈在台湾海峡形势十分紧张的情况下开始了。会谈地点选在华沙市内的海希里维茨基宫。会场布置得既简单又考究。4张桌子排成一个长方形，双方代表分两边相对而坐，代表团团长坐在中间，两侧分别为各自的顾问和译员。
会谈开始后，王炳南让比姆大使先发言。比姆开门见山地提出：“美国要求中国方面停止对金门、马祖几个岛屿的炮击。美国承认，中美长期以来对台湾及其附近岛屿存在着严重的争议，美国并不要求任何一方在这个阶段放弃自己的意见，美国的目的是消除可能被对方视为战争挑衅的行动，否则，军事行动将可能扩大。”“中美的共同任务是缓和台湾和台湾海峡的紧张局势。”
王炳南针对美方把台湾海峡的紧张局势的责任有意推到中国方面的讲话反驳道：“大使先生无权代表台湾当局讲话，也无权提出停火的建议。台湾及澎湖列岛是中国的领土，解放台湾和澎湖列岛是中国的内政，包括金门和马祖。中国在收复金门和马祖等岛屿后，将争取用和平的方式解放台湾和澎湖列岛。中美之间没有打仗，根本不存在‘停火’问题，消除台湾海峡紧张局势的关键在于美国军队撤出这个地区。”
比姆对于我方有理有据的发言，无言以对。
后来，我方又提出了双方共同声明保证不诉诸武力威胁或者武力的建议，被美方无理拒绝。美方在对案中提出要我放弃对金马“使用武力与武力威胁”，而美方将设法使金马“不被使用于对大陆或其他沿海岛屿进行攻击或其他挑衅行动”。这实际上是要在中国大陆和金马之间画一条永久停火线，以便实现其割裂中国领土和制造“两个中国”的阴谋。这一方案理所当然地遭到中方的坚决拒绝。
到9月30日，在第78次会谈时，比姆提出了一个由杜勒斯亲自精心起草的，也是他在中美会谈中最后的“作品”—“中美会谈声明草案”。该“声明草案”再次要求中国政府应停止对金门、马祖的军事活动。同一天，杜勒斯在记者招待会上进一步表示，如果中国愿意在台湾海峡地区“停火”，美国可以劝蒋军撤出金马。其用意仍然是要在台湾海峡画一条永久停火线，所不同的是这次把金马画在这条线以西。美国想以这种“退一步”的办法，使其侵占台澎的行为合法化，以便实现其“两个中国”的阴谋。这不仅是中国政府所不能同意的，就连蒋介石对此也大为不满。
有鉴于此，中国政府及时调整了部署，决定让金马暂时留在台湾当局手中。10月6日，我国防部《告台湾同胞书》指出，金门战斗属“惩罚性质”。10月13日国防部发布命令，宣告对金门炮击再停两星期，“以利他们固守”，并说明“这是为了对付美国人的”。
但是美国仍不死心，又派杜勒斯和国防部长麦克尔罗伊到台湾亲自动员蒋介石从金马撤军，为蒋所拒绝。这样，美国无论在中美会谈还是美蒋会谈中，都未能使其“两个中国”的阴谋得逞。
中美会谈始终在缺乏信任和压抑的气氛下举行，你谈你的，我谈我的，千篇一律，始终不见起色。
1960年9月6日举行的中美会谈，是第100次会谈。为了使今后的会谈有所进展，也为了让世人了解会谈所以停滞不前的真相，王炳南大使作了一个总结性的发言。这个发言以铁的事实，揭露了美国“假谈真打”的伎俩。根据王炳南在第100次会谈上的发言，《人民日报》于9月8日特发了一篇题为《中美会谈一百次》的社论。进一步揭露了美国在谈判中的毫无诚意和蛮横无理。中国政府的正确立场，赢得了全世界热爱和平的国家和人民的赞扬。
1960年，美国举行大选，肯尼迪取代艾森豪威尔成为总统。
1961年9月上旬，美驻波兰大使比姆奉调回国，出任美国军备和裁军署副署长，由曾任上海总领事的卡伯特出任华沙大使，接替比姆。卡伯特成了与我进行大使级会谈的第三个对手。尽管美国人事更替频繁，但中美大使级会谈仍然在毫无生气地进行着。
1964年，王炳南奉调回国出任外交部副部长，改由王国权大使在华沙与美国大使继续进行时断时续的中美大使级会谈但在中美两国的实质性问题上，依然一直没有结果。
1964年10月16日，我国第一颗原子弹爆炸成功，在世界上引起很大震动。中国政府发表了不首先使用核武器的声明。根据中央的指示，在1964年11月举行的第123次中美会谈中，王国权大使向美方提出了不首先使用核武器的协议声明草案。美方代表毫无思想准备，根本不敢表态。直到1965年2月的第124次会谈时，美方才作出反应，以不能没有监督为借口表示反对，暴露了美国坚持搞核垄断的用心。
1968年11月26日，我外交部新闻司发言人就第135次会谈的会期问题发表讲话时，进一步阐明了中国政府在中美大使级会谈中一贯坚持的两项原则：第一，美国政府保证立即从中国领土台湾省和台湾海峡地区撤出它的一切武装力量，拆除它在台湾省的一切军事设施；第二，美国政府同意中美两国签订关于和平共处五项原则的协定。但是，美国政府一直拒绝就这两项原则同中国政府达成协议。
中美大使级会谈进行了15年，会谈达百余次，除了就中美双方平民回国问题达成一项协议外，在涉及中美关系的一切实质问题上均毫无结果。但这却是中美在当时特定的历史条件下保持联系、进行沟通的唯一正式渠道。每一次重大国际事件发生后，中美两国都可以在大使级会谈中表明自己的观点，提出各自的看法，使一方对对方的态度、做法有所了解，这就是中美大使级会谈维持了15年之久的原因所在。
虽然中美两国15年来一直在延续着外交谈判，但由于美国政府视共产主义为洪水猛兽，对社会主义中国采取敌视政策，因而他们在打“谈判”牌的同时，始终没有放松对中华人民共和国的渗透和颠覆活动。其中，以派U-2飞机对我国不间断进行间谍侦察为甚。这一间谍侦察活动，是因美国惧怕我国研制核武器而引起的。
1945年8月9日和13日，当两团遮天蔽日的蘑菇云在日本的广岛和长崎冉冉升起后，人类战争便进入了核时代，美国也因此而占据了核俱乐部的第一把交椅。手中最先拥有核弹头的美国一开始便想搞核垄断，好在世界上耀武扬威，唯我独尊。可好景不长，苏联不久便打破了美国在核武器上的垄断地位。无可奈何的美国，又将下一个限制发展核武器的目标对准中国。因为美国深知，这个在1949年崛起的东方大国，一旦拥有原子弹后将对美国的全球霸权战略构成极大的威胁。
面对美国的核威胁，1958年，中国在苏联的帮助下在北京郊外开始建立实验型重水反应堆，之后又相继建立了另外几座反应堆，启动了计划已久的核武器研制。其间，中苏关系破裂，苏联停止向中国提供原子弹样品。中国人只得依靠自己的力量继续研制原子弹。美国情报部门得知中国准备研制原子弹的消息后，朝野一片恐慌。为了遏制中国发展核武器，艾森豪威尔给中央情报局下了死命令：一定要严密监控中国的核计划。于是，一场以U-2飞机为主角的高空间谍战在苏联领空展开角逐的同时，又在中国领空拉开了帷幕。
U-2飞机是美国洛克希德公司为美国情报机关专门研制的高空侦察机。U-2飞机问世后，深得美国情报机构和军方的青睐。为此，此机得到不少“雅号”，如“蛟龙夫人”、“天使”“神秘女郎”“黑衣女谍”等，也有人管它叫“黑寡妇”。
U-2飞机问世前，美国也曾对中国和苏联进行过高空侦察，可由于中苏两国幅员广大，一般的侦察飞机即使从中苏周边的美国海外军事基地起飞，也很难进入两国的腹地，而从安全和情报角度分析，这类难以触及的地区往往隐藏着更有战略价值的秘密设施或建设工程。为此，美国情报机构和空军绞尽脑汁将情报触角向中苏内地延伸。1950年初，美国空军就在对流层的喷射气流带施放间谍气球，搞起了代号为“白鲸”的放飞行动。这种号称“大气观测用品”的气球下的吊篮内附有自动稳定装备，能使气球在高气压下顺气流持续飘行，而另一端悬挂的自动相机则在十几昼夜的飘行中不断对地面目标进行高空拍照。可气球天性散漫，一旦升空，便随风而行，大部分根本无法进入事先设计的路线飞行。“白鲸”放飞行动持续了5年，返回率只有百分之八，而寻到拍摄目标的还不及百分之一。更令美国人头疼的还是那模糊不清的照片，许多根本无法辨认。无奈之下，美国人只得求助于武艺高强的“黑寡妇”。然而，“黑寡妇”尽管“武艺高强”，也有先天不足。为追求高速轻捷，U-2飞机的净重仅有12000磅，机体材料为铝合金，缺乏强劲的结构支撑，机身外表又仅有0.02英寸厚，加之机翼设计仍未彻底摆脱高空浮力不够的力学结构束缚，所以飞行员在高空稍有不慎，就可能殒命九霄。这等玩命的差事，美国人岂愿多冒风险！于是有人想出了一个聪明的办法：由美国出飞机，让蒋介石的飞行员驾驶。这样如果机毁人亡，死的是中国人；万一暴露了马脚，责任由蒋介石承担，岂不两全其美！
然而，事情并不像美国人想的那样一帆风顺，蒋介石手下的军政委员也不是那样好摆布的。1958年春末的一天，美国中央情报局驻台北办事处主任克莱恩回美国接取情报任务。上司向他透露了一个核心机密：据可靠情报分析，中国正在甘肃、青海或新疆研制原子弹。中苏分歧不断扩大，中国人有可能加速核武器研制进程。为此，中央情报局经美国总统批准，准备利用台湾空军驾驶U-2飞机穿越“竹幕”，深入大陆内地侦察照相，全面搜集中共重要工业设施、军事部署的情报，全程监控中共原子弹和远程导弹的发展过程。
克莱恩领到命令后，不敢怠慢，马上回台湾，同台湾“国防部长”俞大维联系。不料，俞大维认为美国人关注的大陆核计划情报对台湾没多大用处，本应由美国空军去冒险的差事，让“国军”当炮灰，划不来，因而没有买克莱恩的账。万般无奈之下，克莱恩驱车前往蒋家大公子蒋经国住处，向蒋经国求援。
当时任台湾“国防会议”秘书长的蒋经国听了克莱恩介绍情况后，对美国的合作计划很感兴趣。毕竟是“皇太子”，蒋经国的韬略远在俞大维之上。虽然蒋经国对大陆的核计划也没什么兴趣，可他更关心大陆内地的动态，因为蒋家一直没有放弃重返大陆的企图，如果有朝一日真的回到大陆，那内地不也是他蒋家的天下吗？于是小蒋同意了美国的合作计划，但要求得分点儿美国的“残羹剩饭”给台湾。克莱恩当即表示可以留用一些美国不需要的侦察情报。蒋经国甚是欢喜，马上奏明老蒋，蒋介石大笔一挥，批准通过了这份合作计划。
这项美蒋合作计划批准后，就开始在绝密状态下紧张地实施。台湾方面由蒋经国主持。台空军作战署长雷炎钧和情报署长衣复思奉命到桃园、新竹、嘉义和台南等基地挑选12名飞行员到琉球美军基地接受体能、生理、心理测试。最后选定6人赴美受训。到1971年，共有27名国民党空军飞行员赴美受训。
赴美的国民党飞行员始终在极为保密的条件下接受训练。国民党空军到达美国后，立刻换上美国空军军服，并被警告不得擅自离开基地。当这些飞行员驾机训练时，附近机场的调度指挥们便被告知“英语不流利的飞行员正在使用对话频道”。据接受训练的王太佑回忆说，当时上课只能听讲提问，不得抄笔记，更不准将任何训练教程带出教室。尽管国民党飞行员的英语功底还算不错，可要听懂这么多复杂的课程却有些难度，可美国人以保密为由就是不编译U-2飞机的训练教材。
经过近一年的训练后，美国人认为这批国民党飞行员已可以驾机飞越台湾海峡、深入中国大陆进行间谍侦察了。于是，1960年7月，美国向台湾当局提供的第一批两架U-2飞机秘密运抵桃园机场。台湾则在从美受训回来的飞行员中挑选了6名飞行时间在2000小时以上，具有高空侦察经验的人员组成了隶属于国民党空军总部情报署的“第35气象侦察中队”。由于刚到的U-2飞机全身漆黑，没有任何识别标志，当时35中队的飞行员陈怀便设计了一个黑猫图案，黑色的猫身代表U-2飞机，一对猫眼则象征着高空摄影机。这只黑猫很快就成了35中队的队徽。
飞行员们又特意定做了一批标有黑猫图案的夹克衫，所以人们就称这个中队为“黑猫中队”。“黑猫中队”名义上隶属国民党空军总部情报署，实际上该中队是由美国人直接控制。飞机的维护、看管都由美军担任，停放U-2飞机的机棚，连国民党空军的联队长和大队长都进不去。
大部分美方人员是洛克希德公司雇员。他们来台前与中央情报局签有工作合同。其他的维修、调度、导航、摄影等专业人员也多来自美国军方，不过这些人为保密起见，一律不穿军服，相互间也以“经理”相称。对来自不同基地的空勤人员，美国中央情报局要求他们给亲朋好友写信时仍写原来的基地，再由原基地投寄回国，以免被人发现桃园有美空勤人员。但天下没有不透风的墙，美国情报机构费尽心机想将被称为“黑寡妇”的U-2飞机藏在桃园，可没过多久这份天机便被大陆方面探究清楚。海峡对岸的人民广播电台向台湾空军喊话，表示驾驶U-2飞机投诚者可获相当于28万美元的奖励。美台方面怀疑基地附近有中共间谍。他们哪里知道，这个“间谍”就是大陆的沿海防空雷达网。
经过一年多的再次训练和调试，“黑猫中队”于1962年1月13日开始出动U-2飞机对大陆实施高空侦察。
由于中国大陆核工厂和核试验场均分布在中国的西北部，这些地方距台湾都有几千公里的航程。U-2飞机在这么远的距离上执行侦察任务，飞行员的体能和飞机的性能都消耗极大，如果中途发生故障，根本无法返回台湾。机毁人亡是小，关键是不能让大陆抓住任何证据，否则中央情报局不好向世人交代。特别是1960年5月，一架U-2飞机在苏联被击落，苏联人借此大做文章，掀起轩然大波，艾森豪威尔脸面丢尽，美国人对高空间谍活动更为谨慎了。为了增加U-2飞机出航的保险系数，美蒋双方曾考虑在大陆周边国家寻觅一处供U-2飞机起降的机场。
他们选定了泰国和印度。但在当时情况下，这两个国家均不愿意替美台背这个坏名声。别无选择，“黑猫中队”只得从桃园基地起飞了。
由于中国当时已装备远距离多管雷达，对U-2飞机的追踪成功率相当高，所以U-2飞机在桃园起飞后，一般先向东朝琉球方向飞，以逃避沿海雷达网的监控。等升到5万英尺高空后，才在鹅銮鼻附近调头由汕头附近飞进大陆，穿过所谓的“竹幕”，开始吉凶难卜的航程。
中国大陆方面早已查明美蒋勾结、利用U-2飞机对我核试验进行高空侦察的阴谋，但U-2飞机的飞行高度的确令解放军空军各类歼击机望尘莫及。60年代初，我军担负防空任务的兵器中只有萨姆—2导弹才能对付“黑猫中队”驾驶的“黑寡妇”。
中央军委根据空军的建议，当即决定调萨姆-2导弹部队，在U-2飞机经常活动的航路上机动埋伏，待机歼敌。
在总参谋长罗瑞卿的主持下，我军多次召开防空系统领导人会议。在仔细研究U-2飞机“竹幕”的飞行路线后，发现U-2飞机在1962年上半年11次的飞行中，有8次经过南昌，于是便决定将3个地对空导弹营以“地质打井队”的名义在南昌布阵，列网捕杀神秘的“黑寡妇”。
1962年，桃园基地的U-2飞机平均每月出勤3次。每次总趁我沿海空军歼击机换防时进行。我军摸清了这一规律，所以在空军导弹部队某部2营到位后，就抛出了诱饵，引蛇出洞。1962年7月，一大队我空军轻型轰炸机从南京换防到南昌。第二天，又一大队轰炸机飞往南昌以南。上述活动均被沿海岛屿上的国民党雷达所掌握。台湾军方以为我军一定有所调动，便与美方协商，决定派U-2飞机前往侦察。9月8日，“黑猫中队”飞行员杨世驹接到出勤令。他驾U-2飞机从桃园起飞后，先往南飞昆明，再转回南宁、桂林。正当他准备继续向前飞往南昌时，飞机油路系统忽然发生故障，只好从桂林转头飞回台湾。当时，2营的官兵十分纳闷，他们不明白，为什么这架U-2飞机眼看就要进网，却猛地调头飞向广东，而且还在天空七拐八绕地留下一串串弧形，然后一个急转弯，掠过广州市区便逃之夭夭了。他们不知道杨世驹是因为油路故障才没有继续北上，走上死亡之路。第二天，接杨世驹班的陈怀则代他走上了这条不归之路。
9月9日凌晨6时，陈怀驾驶U-2飞机又从桃园基地起飞，自福建平潭进入大陆后经福州，沿鹰厦铁路，过南昌，然后向南京直飞而去。我军的多部雷达已紧紧盯住他。地空导弹部队进入临战状态。
陈怀的U-2飞机飞过九江后，左转180度，直扑南昌。
8时32分，南昌导弹阵地，3发萨姆—2导弹离地而起，U-2飞机一头撞进由3600块弹片编织的死亡之网中。
U-2飞机残骸坠落在南昌市东南18公里外罗家集的一片稻田里。整个机体被弹片炸得蜂窝一般。陈怀虽跳伞成功，却被弹片击中，落地时已奄奄一息。赶到现场的解放军将陈急送医院，可终因伤势过重，抢救无效死亡。按照空军司令员刘亚楼的指示，2营战士用棺木将其埋葬在一个长满小树的山坡上。
南昌之战获胜，国人扬眉吐气。新华社9月9日发布消息：“美制蒋匪帮U-2高空侦察机一架，于9日上午窜至华东地区上空，被我中国人民解放军空军部队击落。”
当时，我国对如何击落U-2飞机守口如瓶。台湾及西方的军事专家和新闻记者一直在挖空心思地刺探我军使用何种武器击落先进的U-2飞机。虽然U-2飞机早在1960年就被苏联国立防空军击落过，可美国一直以为克格勃在飞机上做了手脚。国外许多人对中国军队能拥有击落U-2飞机的能力和手段持怀疑态度。在一次记者招待会上，有外国记者又提出这个问题。外交部长陈毅幽默地说：“我们是用木棍捅下来的。”
U-2飞机被击落后，台湾当局和美国方面分别发布消息，掩盖事实真相。双方都称是洛克希德公司在获得美国政府的出口执照后，将两架U-2飞机出售给台湾的。言下之意是，整个事件与美国政府无关。
中国人民当然不信这一套。《人民日报》发表头版社论，指责美国加强U-2侦察机的侦察活动，“是美帝国主义为加深远东紧张局势和加速其在世界各地的准备工作，以从事新战争的一项具体步骤。”
U-2飞机事件也引发了美国盟国舆论界的不满。日本各大报刊均以头版头条报道此事，并称这是一个可怕的信号。《朝日新闻》说，这次事件是国际局势恶化的不祥之兆，并呼吁美蒋停止对中国大陆的高空侦察活动。《读卖新闻》也警告说，这件事将为东方阵营国家提供“有力的借口”，在联合国抨击美国为首的西方国家。
面对国际社会的指责和质疑，美蒋方面开始是死活不认账，被逼得无奈时，美国国务院发言人竟耍无赖说，“有关U-2飞机的问题，我们该说的都说了。我们已一再表明那是‘中华民国政府’自己的事”。一脚将球踢给了台湾。
为了揭穿美蒋的谎言和画皮，被俘虏的原国民党空军RF101型侦察机飞行员吴宝智亲自出来作证，揭露美蒋联合用U-2飞机侦察大陆的事实真相，给了他们致命的一击。
在铁证面前，美国政府不得不出来做出某种姿态，缓解国内外的压力。肯尼迪在白宫举行的记者招待会上暗示，美国将不同意台湾方面再采购新的U-2飞机赴大陆执行侦察任务。（台湾另一架U-2飞机在飞行训练中坠海爆炸）。但这只是为缓解压力而故意施放的“烟幕弹”而已。事过不久，美国在1962年12月，又将两架U-2飞机提供给了台湾空军，并加紧了对中国大陆核计划的侦察。
经过一段时间的侦察，美国人已经掌握了萨姆-2导弹导航系统的工作频率，在新提供给台湾的U-2飞机上安装了电子预警系统，在飞临地空导弹阵地时，该系统可捕捉到导弹的信号，向飞行员示警，并通过飞行的晃动摆脱导弹的追踪。
1963年3月28日，一架U-2飞机从南朝鲜起飞，经包头、乌鲁木齐后飞至甘肃某基地上空侦察核设施。在该基地的国防科工委所属地空导弹部队某部第4营两次捕捉住目标，却由于U-2飞机已加装预警系统，未待导弹升空，目标早已逃之夭夭。
6月3日，又一架U-2飞机前往兰州侦察，故伎重演，4营再次失掉歼敌战机。
打击U-2飞机接连失利，使我军觉察到敌机已拥有对付导弹的手段。通过战例分析，地空导弹部队人员发现，U-2飞机每次都在地空导弹制导雷达打开天线的20秒后开始摆动，看来如果在20秒内发射导弹，仍有可能击落敌机。
然而，按照萨姆-2导弹作战规则，打开雷达天线一般在目标100公里以外时，从打开制导天线到发射导弹至少需要7到8分钟。为了有效地打击U-2飞机的嚣张气焰，我地空导弹某部2营的干部和技术人员反复进行研究，经过数十次开机试验，终于将打开制导雷达天线的距离减至38公里，发射准备时间压缩到10秒以内，创造出“近决战法”。这样，U-2飞机即使接收到导弹的制导信号，也来不及改变方向迅速逃脱。
1963年11月1日清晨，又一架U-2飞机从桃园起飞。飞行员叶常棣是位很有实战经验的王牌飞行员，曾两次当选为“克难英雄”，一次获“飞虎奖章”，并受蒋家父子多次接见。这次是他第4次驾驶U-2飞机赴大陆侦察。
当完成侦察任务的叶常棣驾驶飞机经江西上饶上空时，我导弹部队已经布下了天罗地网。叶常棣的“莅临”，再一次为某部2营创造了立功机会。2营作战参谋陈辉亭根据敌机航速推测U-2飞机已到35公里处。营长岳振华毫不迟疑地下达命令：“开天线！”
天线打开后，3个跟踪显示器上都没有发现目标。指战员们全神贯注地在屏幕上搜索。
当高低角引导显示器右下端露出半个米粒大的信号时，操作手赶紧打手轮锁定目标，导弹进入自动跟踪状态。8秒内，3颗导弹全部升空。
U-2飞机内警报声响。已意识到危险临近的叶常棣急做转弯机动，躲过第一枚导弹的攻击，可第二发导弹接踵而至。随着“轰”的一声巨响，U-2飞机在空中解体。叶常棣被甩出座舱，失去知觉，飞机的残骸坠落在广丰县万罗山。
叶常棣毫无知觉地在空中坠落了两三分钟，才苏醒过来。他赶紧打开降落伞，降落在一个小山丘上。落地后，他想逃跑，可双腿和两臂已被弹片击伤，无法动弹。这时解放军和民兵包围过来，叶常棣束手就擒。
叶常棣被击落的当天下午，国民党空军总部宣布：“我空军高空侦察飞机一架于11月1日下午在匪区上空执行例行侦察任务时失事。”矢口否认叶是被解放军击落的。5个月后，国民党空军正式宣告叶常棣“壮烈成仁”。国民党军队出版的《忠烈传》中称叶常棣“忠心可问天”。
叶常棣驾驶的U-2飞机被击落，我方对飞机残骸进行了认真的研究，其最大的收获是在叶的飞机残骸中发现了一个新的天线，并找到了名为“12号系统”的电子预警装备。航天工业部和国防科工委电子研究所等单位组成的“抗干扰研究小组”将U-2飞机上的这套“12号系统”安装在伊尔-12飞机上进行操作实验。发现只要收到导弹雷达的信号，在导弹阵地60公里外，这套系统就会亮起省油灯警告飞行员，进入60公里以内则会亮红灯指示飞行员尽快逃离，并配有高频尖叫声示警。
我科研人员清楚了“12号系统”的功能后，拟定了以重复频率的反制方法与敌周旋，即以假频率跟踪敌机，“12号系统”不会反应，等导弹发射时，再改用真频率引导导弹，这时“12号系统”已来不及反应了。并将这种重复频率的电子反制系统称为“反电子预警1号”。
进入1964年后，我军仍在寻机打击U-2飞机。5月8日，屡建战功的地空导弹某部2营奉命撤出内蒙古土默特旗阵地，风尘仆仆，挥师南下，前往福建漳州设防。
就在大陆空军张网待猎的同时，美台方面也在策划新的侦察行动。6月，台湾空军派出“头号王牌”飞行员李南屏，驾驶U-2飞机转飞菲律宾库次角空军基地待命。李南屏受领的主要侦察任务是：大陆第一次核试验进入最后现场组装阶段的有关情报和大陆支援北越的补给情况。
李南屏在台湾军界赫赫有名。早在1957年，他便驾驶一架RF-84F侦察机飞越台湾海峡，对上海进行高空侦察，在被我军战机击伤后，竟侥幸逃命。1963年，李南屏赴美接受驾驶U-2飞机的训练。回台后，曾12次驾驶U-2飞机对大陆进行间谍侦察。蒋介石先后4次召见这位“克难英雄”“飞虎英雄”。
7月7日，李南屏驾驶U-2飞机飞向大陆。为了配合他的行动，台湾方面先后出动一架U-2飞机和一架RF-101侦察机，窜入大陆，借以分散解放军的防空注意力。但这些花招早已被我地空导弹部队识破。
在漳州导弹阵地上，我军指战员正严阵以待。
12时25分，李南屏驾驶U-2飞机进入大陆后，直奔漳州而来。
12时36分，U-2飞机飞至距导弹阵地32公里处，随着指挥员岳振华的一声令下，3发萨姆—2导弹勃然腾空。
这时U-2飞机上的预警系统发出警报。李南屏看到仪表盘上高频重复脉波信号灯急闪不停，一边向台湾惊呼：“12号高频灯亮起！”一边操纵飞机以30度的大坡度转弯脱离，但为时已晚。我军的“反电子预警1号”采取了反预警措施，未等李南屏逃脱，近在咫尺的导弹早已轰然爆响，李南屏的飞机在万米高空粉身碎骨。
1964年10月16日，中国成功地在西北地区爆炸了第一颗原子弹。也许是因为蒋军的连连失败，还是其它什么别的原因，这回美国方面没有让台湾空军出动U-2飞机，而由美军亲自出航，搜集核尘样本。
美国经对中国的核尘样本分析发现，中国人是用铀235做核裂变材料，而非美国人事先估计的钚。为了更准确地掌握中国大陆的核发展计划，美国人认为有必要对兰州和包头核材料工厂进行更密集的高空监测，便在U-2飞机上安装红外线夜间摄影机和电子干扰“13号系统”。
这种全自动的“13号系统”是美国使出的又一“杀手锏”。
该系统只要接到大陆空军的雷达信号，就开始传送错误的信号，误导地空导弹的追踪雷达，编造U-2飞机的航向、高度和速度，让萨姆—2导弹误入歧途。“13号系统”本来是装备在B-52轰炸机上的，古巴导弹危机后，洛克希德公司将其稍加改造，装在经常飞临古巴的U-2飞机上。1964年9月起，中央情报局开始在桃园基地的U-2飞机上安装这套设施。靠这套设施，“黑猫中队”的王锡爵于1964年11月26日赴兰州进行侦察间谍活动，躲过我地空导弹的追杀，侥幸飞回台湾。
兰州之战失利后，我军在认真总结经验教训的基础上，决定在制导雷达上加装新研制的反干扰系统，以对付U-2飞机的欺骗式干扰系统。
1965年1月10日19时56分，“黑猫中队”的张立义驾驶U-2飞机从山东沿海窜入大陆，向包头进发。临行前，上司曾告诉他这次航线是一条崭新的航路，决不会遇到解放军的导弹。可事实上，我军早已在张出发前便获得情报，并做好了截击准备。
U-2飞机经黄骅、大同，很快便进入内蒙古地区。张立义看了一下表还有一刻钟就要到达目标了。他为自己的一路顺风暗暗庆幸，却万万没有想到，我军的导弹正在下面等着他。
21时15分，3发萨姆—2导弹喷射的火舌划破夜空。张立义在2000米的高空始终未接到“13号预警系统”的报警。面对显示器上出现的乱糟糟的小亮点，张立义疑惑不解。他心想如果遭到导弹攻击，显示器上就是一道平稳的亮线。正当他准备打开“13号系统”时，一团火光已窜到机翼下，整个机身剧烈抖动，密封的座舱内一片漆黑。张立义明白飞机已被击中，便打开了座椅的弹射装置开关。
跳伞后的张立义，落地苏醒后，发现四周都是搜索他的人影，便躲藏起来。可在人民布下的天罗地网面前，他成了我军的又一个俘虏。
在此后的近两年时间里，桃园基地的U-2飞机又多次潜入大陆领空，却未受任何打击。美蒋甚为得意。他们甚至认为中苏关系恶化，中国空军已失去导弹来源，无力同U-2飞机抗衡。
殊不知，在此期间，我军制造出可与萨姆导弹相媲美的红旗-2地空导弹。空军组建了更多的地空导弹部队，一张张防空网严阵以待，随时准备歼灭来犯之敌。
1967年9月8日，一架U-2飞机又从桃园基地起飞，侵入我东南领空，准备侦察嘉兴机场。驻沪空军导弹部队接到敌情后，立刻做好迎敌准备。
U-2飞机飞临嘉兴机场后，不断向地面的制导雷达施放干扰电波。当U-2飞机与导弹阵地相距32公里时，3发红旗-2导弹发射升空，将这架U-2飞机击落。飞机内的国民党空军少尉飞行员黄荣北眼前一片漆黑，地平线在他脑际中消逝，他成了我空军击落的最后一名“黑猫中队”飞行员。
进入1968年后，国民党空军停止使用U-2飞机对大陆进行纵深侦察，台湾空军和美国中央情报局的U-2飞机合作暂告结束。
美国在插手亚洲事务的同时，从来就没有放松过中东地区，并在中东地区屡屡挑起事端。
