12月20日，宋子文與端納乘飛機同來西安。張坦白地告訴宋:東北軍、十七路軍和紅軍三方面已經共同商定了和平解決的方針，只要蔣答應張楊通電中的八項主張，三方面將一致同意釋放蔣介石。宋子文也同蔣介石作了密談，蔣授意宋一面和平談判，一面不放鬆武力威脅，以達到他早日離開西安的目的。宋美齡原打算與宋子文同來西安，宋子文因為事變真相如何尚不明了，故約定由他先來弄清真相。
宋子文在西安除同張楊晤談以外，還同周恩來作了長談。周告訴宋，西安事變的發動，中共並未參與，中共為了實現停止內戰，一致抗日的主張，在這個原則下，力主和平解決的方針。宋了解了情況，明白了西安方面的意圖，與蔣介石密商後，便在21日飛回南京，報告與張、楊、周晤談的情況。22日，宋又偕同宋美齡、端納、蔣鼎文、戴笠等人一同飛到西安。張楊均到機場迎接。
宋美齡帶來了許多吃的用的東西,還替蔣介石帶來一副假牙。宋美齡先向張說:「漢卿，我的行李希望你不要檢查。」張回答說:「夫人請便，我不敢檢查。」說罷即請他們連人帶東西一齊上了汽車，直奔玄風橋高公館，只有戴笠隨身帶的一支小手槍被繳了械。
當日起，即商量如何正式開始談判。
宋氏兄妹見了蔣介石，蔣授意兩宋負責談判改組政府，三個月後開救國會議，改組國民黨，改組國民政府，同意聯俄容共等。宋子文就出面同張、楊、周商量。張、楊、周提出以八項主張為談判的基礎;蔣介石提出兩個條件;一是他本人不出頭，而由宋氏兄妹代表他談判，二是商定的條件，他以「領袖的人格」作保證，不作任何書面簽字。張楊、周為了便於早日解決問題，便答應了他。
23日上午，進行正式談判，蔣方由宋子文出席，西安方面由張學良、楊虎城、周恩來三人出席。談判開始，首先由周恩來提出共產黨和紅軍的六項主張:
一、雙方停戰，中央軍撤兵至潼關以東;
二、改組南京政府，肅清親日派，加入抗日分子;
三、釋放政治犯，保障民主權利:
四、停止剿共，聯合紅軍抗日，共產黨公開活動(紅軍保存獨立組織領導，在民主國會前，蘇區仍舊，名稱可冠抗日或救國);
五、召開各黨各派各界各軍的救國會議;
六、與同情抗日國家合作。
基於以上六項，要求蔣介石接受，並保證實行。共產黨和紅軍贊助蔣統一中國，一致抗日。張楊同意周提出的六項主張，並主張即以此為談判基礎。
宋子文對周的提案表示同情，答應轉達蔣。上午談判至此休息。
下午繼續談判，;宋子文提出改組政府等項辦法,並進行討論:
一、宋提議先組過渡政府，三個月後再改造成抗日政府。目前先將何應欽、張群、張嘉璈、吳鼎昌、陳紹寬換掉，推薦孔祥熙為行政院長，宋子文為副院長兼財長，徐新六或顏惠慶長處交，趙戴文或邵力子(張、楊推)長內政，嚴重或胡宗南長軍政，陳季良或沈鴻烈長海軍，孫科或曾養甫長鐵道，朱家驊或俞飛鵬長交通，盧作孚長實業，張伯苓或王世傑長教育。張、楊、周推宋慶齡、杜重遠、沈鈞儒、章乃器等入行政院。宋力言此為過渡政府，三個月後抗日序幕揭開後再徹底改組。張、楊、周原則同意，要宋負貴，杜、沈、章等可為次長。
二、宋提議蔣下令撤兵，蔣即回京，到京後再釋放愛國七君子。張、楊、周堅持中央軍先撤走，愛國領袖先釋放。
三、張、楊、周提議在過渡政府時期，西北聯軍先成立，以東北軍、十七路軍成立聯合委員會，受張領導抗日，準備實行訓練補充，由南京負責接濟。宋答此事可轉告蔣。
四、在蔣同意上述辦法下，周要求直接與蔣討論有關問題,24日上午，張、楊、周與宋子文、宋美齡繼續談判，談判結果如下，
一、孔宋組院，宋負絕對責任，保證組織滿人意，政府肅清親日派;
二、撤兵及調胡宗南等中央軍離西北，兩宋負絕對責任，蔣鼎文即攜蔣手令停戰撤兵;
注、蔣允歸後釋放愛國領袖(七君子)，西安方面可先發表，宋負責釋放;
四、目前蘇維 埃、紅軍問題，仍歸兩宋擔保，蔣確定停止剿共，並由張負責接濟(宋擔保周與張商定多少，即給多少)，三個月後抗戰發動，紅軍再改番號，統一指揮;
五、宋表示不開國民代表大會，先開國民黨中央全會，開放政權，然後再召集各黨各派救國會議，蔣表示三個月後改組國民黨;
六、宋答應一切政治犯分批釋放，與孫夫人宋慶齡商定辦法;七、抗戰發動，共產黨公開;
八、蔣回後發表通電，自辭行政院長;
九、外交政策:聯俄並與英美法聯絡;
十、宋要求:蔣下令停戰撤兵後即日回南京。張同意，楊、周允再考慮。
24日上午，談判結束。下午張楊均因處理內部問題，委託周繼續與兩宋接觸。
下午，周恩來與宋子文會晤，宋表示要求中共為他抗日反親日派作後盾，並派專人赴滬，與他保持經常的秘密接洽，周要求見蔣當面再談一談。經宋轉蔣，約定晚間在蔣的住處會面。