现在，西安事变突然发生了，具体情况一时又不很清楚，应该怎么办？事变的第二天，12月13日，中共中央举行政治局会议，进行了讨论。毛泽东首先发言。他指出，这次事变是有革命意义的，它的行动、它的纲领都有积极的意义，是应该拥护的。我们的口号是召集救国大会，其他口号都是附属在这一口号下，这是中心的一环。周恩来作了长篇发言，着重分析了南京政府内部各派系和各地方军阀对事变采取的态度，也分析了国际上各种力量的动向，提出中国共产党人应取的对策。对当前的紧急问题，他认为，在军事上应该准备迎击南京方面对西安的夹击；“在政治上不采取与南京对立”，应努力争取蒋之大部，如林森、孙科、宋子文、孔祥熙等都应争取，对冯玉祥更应争取，孤立何应钦；要深入群众运动，巩固我们的力量。他说：“我们的统一战线已获得初步的成功，我们的党应准备走上政治舞台，同时要注意地下党的艰苦工作，应有很正确的组织工作。”洛甫说：“我们不采取与南京对立的方针。”他主张：“尽量争取南京政府正统，联合非蒋系队伍。在军事上采取防御，政治上采取进攻。”并且强调：“我们的方针是把局部的抗日统一战线，转到全国性的抗日统一战线。”毛泽东最后说：我们现在处在一个历史事变的新阶段，在这个阶段，前途上摆着许多通路，同时也有很多困难。敌人要争取很多人到他们方面去，我们也要争取很多人到我们方面来。针对张国焘在会上所说“在西安事件意义上，第一是抗日，第二是反蒋”，毛泽东着重强调：应该把抗日援绥（1936年10月中旬，日本侵略者指挥伪蒙军向绥远东部发起猛攻。绥远守军在傅作义统率下奋起反击，于24日收复日伪重要据点百灵庙。中国共产党发出援绥通电，认为不能坐视绥远局部抗战而不救）的旗帜举得更明显，在军事上采取防御的方针，不把反蒋与抗日并列。当天中午，毛泽东、周恩来再电张学良：“恩来拟来西安与兄协商尔后大计，拟请派飞机赴延安来接。”张学良复电：“现此间诸事顺利，一切恩来兄到后详谈。”
自从1927年大革命失败以后，这还是中国共产党人第一次以公开合法的身份出现在苏区以外的中国政治舞台上，自然引起举国瞩目。人们期待从周恩来的一举一动中观察和了解中国共产党。在他出发前，中共中央对西安的具体情况还不十分清楚，很多问题需要等周恩来到西安进一步弄清情况后才能作出决断。对蒋介石的处置以及各种在保安难以估计到的复杂问题，都要由周恩来到西安后相机处理。周恩来将面对的政治局势是那样错综复杂、瞬息万变，许多事都需要当机立断，不可能事事请示中央。
周恩来勇敢而沉着地挑起了这副重担。15日清晨，他带领罗瑞卿、杜理卿（即许建国）、张子华、童小鹏等共18人，骑着骏马，驰向那时还在民团控制下的延安。时值隆冬，大雪纷飞。当晚，他们在安塞住了一夜。第二天傍晚赶到延安北门外。当地游击队告诉他们：下午听到过飞机的声音，可能是张学良派来接他们的，因为没有接到，又飞回去了。
这时延安城内还驻有民团，他们没有入城。17日清晨出发，绕过延安城西，到达城南两道川，准备到甘泉的张学良防地坐汽车到西安去。突然天空中又传来隆隆的飞机声。周恩来立刻写了条子，要张子华以南京来客的身份进城同延安县长交涉，赶往机场。
这架飞机是张学良的专机。张学良还派刘鼎随机来接周恩来。在飞机上，刘鼎向周恩来汇报：张学良在扣留蒋介石时，向执行者明确交代要抓活的，保护蒋，拥护他抗战，促其抗战。周恩来对这个情况很重视，认为是同中共中央的看法一致的。他对刘鼎说：西安事变并不是打垮了蒋介石的武装力量，所以蒋不同于俄国十月革命后的尼古拉二世，也不同于滑铁卢战役后的拿破仑。希望不要变成更大的内战，能把抗战推进一步就很好。
周恩来一行到达西安已是17日的晚上了，刘鼎先陪他们到七贤庄一号稍事休息，随后就到金家巷一号张公馆去见张学良。张学良早在等着周恩来的到来。12日那天他们虽把蒋介石扣起来了，但对下一步该怎么办，并没有明确的计划和统一的认识。许多事情都想等周恩来到后共同商议。张学良曾说：“他来了，一切就有办法了。”所以周恩来一到，张学良就把他安置住在自己的公馆里。那个院子里共有3幢小楼，张学良住在西边一幢，周恩来和他的随行人员住在东楼。
这时已是西安事变发生后的第六天了。周恩来到西安后的当晚，同张学良的谈话一直进行到深夜。张学良先叙述蒋介石在被扣后的表现、南京的动态和各方面的反应。当时，最迫切需要处理的关键问题，是如何处置蒋介石。张学良表达了自己的看法：据他个人看，争取蒋抗日，现在最有可能。他的意见是，只要蒋答应停止内战，一致抗日，应该放蒋，并拥护他做全国抗日的领袖。
周恩来对张的看法立刻明确表示同意。他说：西安事变是一件震动世界的大事。这次捉蒋是出其不意，乘其不备，他的实力原封不动地保留在那里。在共产党的抗日民族统一战线政策和全国抗日运动高潮的推动下，他的广大官兵的抗日思想日渐增长。从各方面考虑，对蒋介石的处置极需慎重。
接着，周恩来分析了对蒋介石的不同处置方法可以导致西安事变有两种截然不同的前途：如果能说服蒋介石停止内战，一致抗日，就会使中国免于被日寇灭亡，争取一个好的前途；如果宣布他的罪状，交付人民审判，最后把他杀掉，不仅不能停止内战，而且还会给日本帝国主义造成进一步灭亡中国的便利条件，这就使中国的前途更坏。历史的责任，要求我们争取中国走一个更好的前途。这就要力争说服蒋介石，只要他答应停止内战、一致抗日的条件，就释放他回去。蒋介石实际统治着中国的大部分地区，迫使他走上抗日的道路，还拥护他做全国抗日的领袖，有利于发动全面的抗日民族解放战争。周恩来提出这样明确的意见，加强了张学良和平解决西安事变的决心。
这是一个决定西安事变发展前途的关键性决策。周恩来在当晚给中共中央的电报中，报告了他到西安后所了解的情况，并说：对蒋介石的处置问题，准备“答应保蒋安全是可以的，但声明如南京兵挑起内战，则蒋安全无望”。这个处置办法当即得到中共中央的认可。第二天，中共中央第一次公开发表宣言，致电国民党中央，呼吁和平解决西安问题。
由于宋子文即将来西安谈判，周恩来同张学良在见面当天就一起商定了5项条件：“（1）立停内战，中央军全部开出潼关。（2）下令全国援绥抗敌。（3）宋子文负责成立南京过渡政府，肃清一切亲日派。（4）成立抗日联军。（5）释放政治犯，实现民主，武装群众，开救国会议，先在西安开筹备会。”他们并商定：为了迎击蒋军的进攻，红军兼程南下，主力先开庆阳、环县击退胡宗南部，然后出渭水下游侧击从潼关西进的刘峙部。根据这项协议，红军先后进据延安、瓦窑堡、延川、延长等城（中共中央于1937年1月13日迁延安），并在西线控制了庆阳、环县、西峰一带。
第二天上午，周恩来到九府街杨公馆拜会杨虎城。因为杨虎城和中国共产党有长期的友谊关系，周恩来首先代表中共中央向杨问候。接着，周恩来向杨说明了昨夜同张学良谈话的经过和主要内容。杨虎城听了周恩来的讲话十分惊奇，因为他原来估计：中国共产党同蒋介石有长达10年的血海深仇，一旦捉住蒋介石，虽不至立即杀蒋，也决不会轻易主张放蒋。周恩来提出的和平解决方针，完全出乎他的意料之外。他坦率地陈述了自己的看法，感到对蒋介石将来能否抗日，是否不对发动西安事变的人施行报复，不能不有所顾虑。并且说：共产党和国民党是敌对的党，地位上是平等的，对蒋可战可和；他是蒋的部下，如果轻易放蒋，蒋一旦翻脸，他的处境就和共产党有所不同了。
周恩来对杨虎城的这种顾虑表示理解，并作了解释。他说：现在不但全国各阶层人民逼迫蒋介石抗战，就连国际上也争取他抗日。英美帝国主义从自身利益出发，希望他制约日本，反法西斯阵营也争取他走抗日的道路。蒋介石本人，现在是抗日则生，不抗日则死。因此，促使他改变政策，实现对日作战的可能性是存在的。至于蒋是否会报复，并不完全取决于蒋介石个人。只要西北3方面团结一致，进而团结全国人民，形成强大的力量，蒋虽有报复之心，也不可能实现。杨虎城听了周恩来的意见后说：“共产党置党派历史深仇于不顾，以民族利益为重，对蒋介石以德报怨，令人钦佩。我是追随张副司令的，现在更愿意倾听和尊重中共方面的意见。既然张副司令同中共意见一致，我无不乐从。”
会见时，周恩来还就红军误杀杨部警三旅旅长、共产党员张汉民以及在同杨达成协议后又曾突袭杨部这两个问题，代表中共作了自我批评。这种光明磊落的态度，使杨虎城消除了原来内心还存在的一些疙瘩。