直接掌握着中美会谈的周恩来眼光远大，为了使会谈不在一个侨民问题上纠缠，更快地进入实质性会谈，就指示对在押的美国人进行更进一步的核实和处理。在9月10日的会谈中，王炳南奉国内指示向约翰逊宣布，中国有关当局对在华的12名美国人的复查已经结束，他们可以获准出境。在其他一些具体问题上，中方也作了一些适当的让步，从而使这一段反反复复在原地踏步不前的会谈有了进展。
在中方一再主动争取下，历时40天、会谈14次后，中美双方终于在9月10日这天的会谈中，在双方没有外交关系的情况下，达成了一个关于遣返侨民的协议，并且公布于世。这也成了中美15年大使级会谈中达成的唯一协议。其内容如下：
中华人民共和国（美利坚合众国）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（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。
同时双方商定，中美两国特别委托印度和英国政府协助中美侨民返回本国。
这个协议，用王炳南的话说，“是在双方互不承认的情况下，处心积虑搞出来的一份奇怪的联合公报。在公报中既要体现互不承认，又要体现双方的一种共同意见，还要体现双方的联系，于是就别出心裁，搞了这么一个各说各的‘杰作’，叫做‘协议声明’，英文为AGREEMENTANNOUNCEMENT”。
王炳南当时并没有意识到，十多年后周恩来总理与尼克松总统达成的有名获释的四个美军战俘在登机回国之际。
的《上海公报》，也是沿用了这种形式。是毛泽东与蒋介石的重庆谈判最早创立了这种各说各的联合声明模式。
会谈从1955年9月20日进入第二阶段，中方提出要讨论实质性问题，即台湾问题及周恩来总理与杜勒斯国务卿直接会谈的问题，希望通过消除禁运和外长会谈，寻求缓和台湾地区紧张局势，促进两国来往，改善相互关系。
但美国采取敷衍纠缠、拖而不断的态度，先以“关于遣返平民的声明得到履行之前，讨论其他问题未免为时过早”，接着又以朝鲜战争中失踪的450名美国军人的命运问题进行纠缠；还以先讨论台湾地区除防御之外不使用武力问题，企图阻止中国人民解放台湾。王炳南一一给予驳斥，并郑重指出，和平解决中美之间的争端而不使用武力，正是中国的一贯主张。中国主张坐下来谈判，也正是为了实现这个主张。但是在中美两国之间的国际关系中不使用武力的问题，绝对不可能同中国通过和平方式还是使用武力方式来解放台湾这一内政问题混为一谈。解放台湾问题是中国内政，绝不能成为中美会谈的议题。要谈就得谈毛泽东在中南海宴请归国的钱学森。
美国应该放弃对中国使用武力，从台湾和台湾海峡撤走它的一切武装力量问题。
但美方不愿认真讨论，一味拖延敷衍。在当时美国的对华政策不可能改变的情况下，双方一再处于争执不下的情况，使会谈陷入僵局。
1956年1月、3月和6月，中国三次公布会谈经过，揭露了美国拖延谈判的真相。同时，中方接连提出的准许双方记者互访、有关禁运的协议草案、有关文化交流及人民往来的协议草案、司法协议草案，均被美方一一拒绝。
1957年12月12日，中美会谈已经进行了73次。约翰逊在这次会谈中彬彬有礼地宣布，他将撤出会谈，出任美国驻泰国大使；他指定他的副手埃德·马丁接替他的谈判工作。
这分明是杜勒斯在耍花招，美国想把中美谈判降级。王炳南当即表示：这种变化是我所不能同意的。
王炳南也很有礼貌地向约翰逊指出：中美进行的是大使级会谈，而马丁先生只是一个参赞，不能代表大使，你们这种做法是很不严肃的。正如周总理说过的，我们愿意谈判，并积极争取成果，如果美国不愿意谈，我们也可以中止谈判。我们不愿破裂，但我们不怕破裂。美国如想打仗，我们也可以奉陪。
于是，在第73次会谈后，中美大使级会谈中断了。
50年代末，周恩来总理曾经说过：中美大使级会谈至今虽然没有取得实质性成果，但我们毕竟就两国侨民问题进行了具体的建设性的接触，我们要回了一个钱学森。单就这件事来说，会谈也是值得的，有价值的。
炮击金门之后，王炳南被急召回京
王炳南在莫斯科登上葛罗米柯的专机时，刚刚出任苏联外长不久的葛罗米柯情绪很好，与他寒暄了几句。
这是1958年9月初的一天中午。飞机就起飞了，他靠在椅背上，心里还想着这次奉召赶回国内的事。
前天夜里，他收到这封国内发来的特急电报时已经很晚了。电报只是简单地说：有要事相商，请你立即动身尽快回京！国内这封特急电报，是由外交部副部长章汉夫署名发给中国驻波兰大使王炳南的。身边的同志看了电报纷纷猜测，是什么事会这么紧急呢？有的说，是不是另有紧急任命？也有的说，是不是跟台湾海峡的紧张局势有关？但又有人说，炮击金门与驻波兰使馆好像没有很直接的关系。王炳南自己在心里估计，很可能与恢复中断半年多的中美大使级会谈有关。
最快的路程就是乘飞机经莫斯科转机飞回北京。
他匆匆做了收拾与安排，就上了从华沙飞往莫斯科的飞机。当他在莫斯科伏努科沃机场走下舷梯时，中国驻苏使馆的同志已经赶来迎接。此时尚未到中午，驻苏使馆的同志告诉他，当天没有飞往北京的航班，但使馆经过与苏联外交部联系获知，碰巧苏联外长葛罗米柯因朝鲜问题要乘专机到北京去，他可乘机回去。
他早上离开华沙，晚上就可以回到北京，真可说是朝发夕至。但是他心里一直在寻思着，到底是什么紧急的事？
他当然会联想起数天前，即自8月23日开始，我福建前线解放军炮兵对金门、马祖等岛屿进行了猛烈的炮击。凭着他作为驻外大使的敏锐感觉，他不能不将此次炮击与最近的国际紧张局势联系起来思考。日内瓦国际会议后，毛1958年8月，解放军万炮轰金门。
泽东与党中央强调要宣传解放台湾，也强调由中国人自己和平解放台湾的问题，这是为了实现祖国统一，也是为了打破美国制造“两个中国”或“台湾独立”
的阴谋。美国人还与蒋介石签订了美蒋《共同防御条约》，蒋介石不肯放弃“反攻大陆”的口号，不断对大陆进行骚扰，甚至空袭福建地面目标。艾森豪威尔继任总统后，国际形势变得比较复杂，全世界反美的呼声高涨。1958年入夏以来，中东地区出现了新形势，黎巴嫩人民起义，推翻了亲美的夏蒙政府，伊拉克也爆发了推翻王朝的革命。美国为了扑灭中东的反美火焰，7月间出兵黎巴嫩。美国第七舰队还加强了在台湾地区的活动。在苏联执政的赫鲁晓夫也对西方采取了姑息的政策。我中央军委命令人民解放军从8月23日开始对金门、马祖等岛屿进行惩罚性的大规模炮击，就是为了打击美国在国际事务中的嚣张气焰。前天，他在华沙还收听到外电广播，在解放军“八二三炮击”后，艾森豪威尔下令在台湾海峡集结有5艘航空母舰的兵力。
他不能不猜测，自己被召回北京与台湾海峡的形势有关。
9月5日当晚飞返北京后，他立即风尘仆仆赶到部里见了章汉夫副部长。
章汉夫说：“你回来得好快呀。是总理要你回来的。驻苏使馆已经来了电报，总理知道你今晚就到了。”
“总理有什么指示？”他问。
章汉夫说：“要你等候通知。主席、总理正在北戴河开会。开会期间，总理给我打来电话，说要你赶回来，说是因为中央要讨论对美国斗争问题，并说主席对这个问题考虑了很久，有许多新的想法，要你回来一起参加讨论。”
金门岛上蒋军的美援巨炮他听后觉得自己的预感与判断是对的，也在思想上做了相应的准备。
在人民解放军炮轰金门、马祖岛屿的打击下，9月4日，艾森豪威尔总统授权杜勒斯发表了愿意同中国会谈的声明。
9月6日，周恩来总理发表声明表示：“中国政府准备恢复中美两国大使级会谈。”
9月9日，杜勒斯向记者宣布：美国政府准备响应周恩来总理9月6日声明，“随时”恢复同中国的大使级会谈。
9月9日当天，王炳南接到通知，晚间到中南海颐年堂去参加政治局会议，要他在会上具体汇报前一阶段中美大使级会谈的情况。毛泽东、刘少奇、周恩来、张闻天等中央领导都出席了。他们刚从北戴河回来，毛泽东的脸晒得黑红黑红的。周恩来让他首先汇报。这是他第一次有机会在中央政治局和毛泽东面前谈中美会谈的情况，领导人们都望着他，他显得有点拘谨。
毛泽东开口笑着说：“炳南，你的‘炳’不是木字旁而是火字旁。你本来该炳烛光照南天，恩来却将你这根蜡烛插到西天去了。”
大家都笑了。笑声使王炳南消除了拘谨，他开始了汇报。
王炳南在其回忆录中，对此次汇报作了如下记述：
1958年台海危机中，美国派五艘航母驶入台湾海峡。图为其中一艘航母。
当我谈到，由于我们掌握真理，对美国无所惧、无所求，因此在会谈中处于主动地位时，毛主席笑着插话问我：我们要台湾回归祖国，怎么就无求于美国呢？
我说：台湾自古就是咱们中国的领土，是我们的地方，美国无权霸占，它本该交还我们，而不是我们去求它。
会议中间，一些政治局委员还对中美会谈的情况提出了一些问题，我都一一作了解答。
最后会议商定，要指定专人起草一个中美会谈的新方案。会议要散场时，毛主席握着我的手兴奋地说：你讲得好，有朝气，跃进了！
和我一起参加会议的乔冠华等同志也对我说：你讲得真好。
散会后，外交部的同志便赶忙根据中央的决定草拟重新开始中美会谈的方案。
半年前刚出任外交部长的陈毅没有出席这次政治局会议，当时陈毅正在上海。陈毅作为副总理兼外交部长协助周恩来总理处理中美会谈工作。陈毅从上海回来后，找王炳南谈了话，指示他：前一阶段会谈分别提出的种种问题难以分别解决，今后要确定“一揽子”解决问题的原则，就是说台湾问题不解决，其他问题都谈不上。陈毅部长这个指示，在台湾海峡局势紧张的情况下是十分正确的，它表明了中国政府在台湾问题上的坚定立场，无论美国在台湾问题上是谈判还是使用武力，中国的原则是毫不动摇的。陈毅风趣地对他说：“你嘛，跟美国人是武戏文唱。”
在他这次回国期间，周恩来总理和他详谈了几次，对他的工作作了具体、细致的指示，还调换并加强了新的助手班子。中方已经同意美国“改变会谈地点”的建议，地点改在华沙，美国已经正式指派驻波兰大使雅各布·比姆为美方首席代表。
周总理告诉他，在他回华沙之前，毛主席还准备特别接见他一次。对毛泽东的接见，他在回忆录里也作了较详细的记述：
在返回华沙前，毛主席特意接见了我，指出了在会谈中应该注意的事项。他说，在同美国人的会谈中，你要多用一种劝说的方法。譬如说，你们美国是一个大国，我们中国也不小，你们何必为了仅仅不到一千万人口的台湾岛屿与六亿中国人民为敌呢？你们现在的做法究竟对美国有什么好处呢？他还说，在会谈中要多用脑子，谦虚谨慎，说话时不要对美国人使用像板门店谈判那样过分刺激的语言，不要伤害美国民族的感情。中国人民和美国人民都是伟大的民族，应该和好。
他还向在座的同志指示，在我返回华沙时由新华社发一条消息，就说王炳南回国述职完毕。
这次，他在北京逗留了一个星期。
他走的当天没有班机，周恩来获知后连夜打电话给有关同志，让他们加派一架专机送他到伊尔库茨克，然后换乘苏联班机去华沙。
在台湾海峡的紧张局势中开始了华沙会谈
当送他一程的专机朝西北方向飞行时，他方才有空将周总理刚刚给他的亲笔信细细地看了两遍。
总理的笔迹他是格外熟悉的，总理那么忙，还亲笔给他写信，给予会谈的指示，使他很受感动。信中还附有外交部草拟的发言要点，作为他的发言底稿。
周恩来总理的亲笔信全文如下：
炳南同志：
现将发言要点（草稿）打送给你，在第一次会谈中，如果美方急于要表达自己的意见，可让他先说；照杜勒斯今天接见记者的谈话，这种可能是存在的。如美方先提出方案，而方案本身又有研究余地，你不忙提出我方方案，而将其中过分荒谬之点予以评论，其他则保留下次会议再予以全面回答。如果美方不提具体意见而又急于要知道我方的意见，我方亦可使用这一发言要点，并将预定方案提出。
如第一次会谈为纯技术性事务作安排，双方只作一般接触，则发言要点第一段稍加发展，可作你在第一次会谈时的发言底稿。
如何，请酌办。
周恩来一九五八年九月九日
他经伊尔库茨克转机回到华沙。在确定会谈的具体场所时，又费了一些周折。
就在王炳南还在北京逗留的时候，华盛顿当局内部为会谈的场所进行了一场辩论。担任美方代表的美国驻波兰大使雅各布·比姆向国务院建议，会谈轮流在双方的使馆内举行。固执的杜勒斯不同意，认为美国大使到中国的使馆来会谈，会让人联想到对中华人民共和国已构成某种形式的承认。
王炳南回到使馆后，就接到了比姆大使打来的电话，声称愿意与王大使进行会谈。他回答说，准备两天后即9月14日在中国大使馆会见比姆。比姆没有当场回答，显然是要请示杜勒斯。后来，比姆打电话来说，他还是不能到中国使馆来，建议会谈在瑞士的驻华沙使馆举行。经双方商量，建议请求波兰外交部提供会场。
波兰外交部很乐意地提供了华沙城内的梅希里维茨基宫作为会谈场所。
1979年，晚年的王炳南赴美访问，比姆作为老朋友很热情地邀请他到家里做客。两人重提旧事，还很高兴地笑谈起在梅希里维茨基宫会谈时被窃听的情景。据比姆大使退休后所写的《出使苏联东欧回忆录》一书披露，第三方提供场所，使会谈的保密性受到了影响。比姆记述说：
既然我们安排了在双方名义上掌握保密控制的大使馆之外的地方进行会谈，显然就等于邀请第三方（波兰）、大概还有第四方（苏联）参加。会谈开始不久，我们就接到报告说，当地无线电爱好者收听到了我们的谈话。我们在那个宫殿里会谈时，电子系统受到了干扰，播放出清晰可闻的声音来，美国代表团感到可笑，而中国人却不动声色地默默听着。