到达陕北后的中共中央把东北军作为最大的统战目标，周恩来担任了东北军工委书记。一天，他接到中央联络局局长李克农发自洛川的电报。电报说，张学良表示愿意为成立国防政府奔走，东北军中同情中共抗日主张者不乏其人，对“剿共”态度消沉，愿意目前各守原防，恢复通商。
正是隆冬季节，窑洞里炭火烧得太旺，周恩来解开衣扣，不时喝着水。他欣慰地点点头：“好哇，高福源开了一个好头。”
东北军团长高福源是在榆林桥战役中被俘的。他在红军中生活了两个月，思想起了变化。他主动向李克农提出，愿意回去劝说张学良同红军联合抗日。李克农那双躲在镜片后面的神秘的眼睛一闪，断定高的话不会有诈，马上向周恩来汇报。周恩来立刻同意他的要求。
高福源在1936年1月初离开瓦窑堡，到洛川见到张学良。两人谈了一个整夜。最后，高福源已困乏的抬不起眼，却被少帅一擂桌子惊醒：“你谈得很好，我基本上同意你的意见。你休息一两天就赶快回去，请红军方面派一位正式代表来，我们正式商谈一下。”高福源赶回瓦窑堡，当面向毛泽东和周恩来报告。他们都认为李克农出面合适。李克农去和张学良商谈后，给周恩来发来了上述电报。随后李克农也回到瓦窑堡。
“克农，你还得去洛川跑一趟。”周恩来叫李克农到自己住处来。
“你对前景估计如何？”李克农心里没底。
“根据前面的接触，这次谈判成功的可能性大，不成功的可能性小。”周恩来看着李克农把挂手枪的皮带解下，束到棉衣里面，叮咛道，“但危险性是有的，你们要有思想准备。不管遇到什么情况，你们无论如何不能谈崩，一定要谈好。”
半个月后，李克农到达洛川，先同六十七军军长王以哲谈判，达成五项局部性的口头协定。3月4日，张学良到洛川。他穿的是一身中式便装，鼻梁上架了一副墨镜，手拄文明棍。李克农一见他这身打扮，不禁笑了起来：“张将军，你这是解甲归田？”
“我是来做大买卖的。”张学良顺茬开起玩笑。
“是零售还是整销？”
“当然是整销。”两人朗声大笑。
话很投机。可谈着谈着，张学良突然制止李克农关于反蒋的想法：“现在中国的力量几乎全部掌握在蒋介石手里，要反蒋哪有力量去抗日？”
“问题是他在阻碍抗日。”
“我看蒋介石也有抗日的可能，因此抗日必须联蒋。”
“这是个大问题，这样大的问题我想不是我们俩能决定的，以后再谈。”
“那就请你们派出全权代表，最好是毛泽东，或者周恩来。”
李克农没想到张学良口气这样大，顿时脸上不悦：“这好比让蒋介石到我们的营地去，安全问题谁负得了责？”
“不必请他们来，我可以到肤施（延安）去。或者到靠近你们的中间地带。”张学良更显潇洒。会谈一结束，李克农就向中央发报：一、张学良今日晤面结果甚佳；二、你们与张学良见面地点已约定肤施，一星期之内由我方选择彭德怀、毛泽东、周恩来、博古中可到一人出席；三、互派代表到苏联，张学良方人选二三日内可派定，由张学良方电告；四、为扩大国防政府抗日联军，便利接洽多方关系起见，我方可选择一灰色而能负相当责任者由张学良给以灰色名义常驻西安；五、去苏联路线已电告盛世才，商讨并询飞航线。中央当天复电，同意谈判结果，并要他到山西石楼前线当面报告。
毛泽东、张闻天等领导都随军东征在山西前线。周恩来也在3月初渡河来到石楼，准备参加中央政治局会议。李克农赶到石楼，把情况一说，毛泽东脱口夸赞：“搞得不错，很有成绩。”又转脸望着周恩来：“全权代表的事，大概非恩来莫属了。”其余红军也都点头。李克农仍然作陪。
1936年4月9日下午，张学良同王以哲和卫队长孙铭九，秘密来到肤施。他们在一座天主教堂里等候着。当延安的宝塔被夜幕掩没后，周恩来和李克农到达了。他俩都换上了便衣，周恩来穿着黑色中山服。双方的卫士长对问暗语：“天空落一鸟，来客是何人？”“为持苏武节，关中曾牧羊。”
双方寒暄后，在教堂一个套间的桌子两边坐下。张学良的卫队长在外面警卫，红军的警卫部队控制了飞机场，在会谈结束前，任何飞机不得起飞。周恩来说：“我是在东北长大的。”
“我了解，听我的老师张伯苓说过。”
周恩来反觉奇怪：“张伯苓怎么是你的老师？”
张学良毫不避讳：“我原来抽大烟，打吗啡，后来听了张伯苓的规劝，完全戒除了，因此我拜张伯苓为师。我和你是同师门了。”
周恩来打量着张学良，看他微胖，满面红光，不像传说中的“花花公子”和扎吗啡针的样子。张学良幽默一笑：“我这里还有位共产党的代表刘鼎先生！”
周恩来向来有记人名不忘的特点，可怎么也记不起有个叫刘鼎的人。当“刘鼎”往他面前一站，他一把握住“刘鼎”的手，这不是阚尊民么：“原来是你呀，想不到在这里见面了！”
“首长好！”刘鼎强抑着激动，他有满肚子的话要说，但此时只说了三个字。他1930年年初从苏联回国，就是向周恩来报的到，而后又在周恩来的直接指挥下，在上海特科工作。1931年周恩来去中央苏区后，他们四年多没见面了。而这四年中，他们各自经历了殊死搏斗。阚尊民从敌狱中出来后，经人介绍到张学良那里工作，并与党组织接上了关系。
会谈极其保密，屋内只有张学良、王以哲、刘鼎和周恩来、李克农五个人。
张学良谈到抗日须联蒋、联阎时，周恩来聚神地听，目光闪烁，说：“有道理，但是要和毛主席商量，这个问题正在研究中。”对此，张学良闷了一阵，暂时没说什么。
对互派代表问题，张学良也同意：“请你们赶快派有政治头脑而色彩不浓厚的人常驻我那里。”他最苦恼的是缺乏干部：“你们派多少人来我都欢迎，我派一个人去，身边就没有人了，我一个也不派。”
周恩来说：“我们一是穷，二是人少，文化又低，很多人不识字。文化水平在你们那里不成问题，军事知识、政治知识也很丰富。由于我们穷，才不得不随时随地地注意培养干部，这样才稍稍解决目前干部缺乏的问题，否则更不行了。”
张学良还是恳求一番。周恩来又说：“即使你有干部也要自己培养干部，我们现在办红军大学，你可以办军官训练团。红大上面将来可以办抗日大学，军官团上面也可以办抗日大学。两边都有抗大，可以合在一起成为联合的抗日大学。”张学良高兴起来。
会谈一直谈到翌日清晨4时结束。夜餐是每人一碗面，是由孙铭九和当地驻军团长赵绍宗送来的，王以哲在旁边递碗筷。临分手时，张学良把他带来的《申报》60年纪念印制的我国第一本比较精确的彩色地图册送给周恩来，说了句：“共同保卫中国！”张学良先拿出2万银元，不久再送20万法币，以支持红军抗日；周恩来准备派叶剑英常驻西安，协助张、杨训练部队。
刘鼎也与张学良道别，随周恩来一行奔赴延安。路上，周恩来显得很兴奋：“谈得真好，出乎意料！想不到张学良是这样爽朗、有决心有勇气的人，出乎意料！”
10日这天，行抵十里铺，遇上大雨，只好住下。周恩来一天一夜又没睡，详细向刘鼎询问张学良和东北军的情况。11日，周恩来起草给中央的报告：停止内战，一致抗日，他（张学良）完全同意，但他在公开抗日之前先不能不受蒋令进驻苏区……对蒋问题，他认为蒋部下现有分化，蒋现在歧路上。他认为反蒋做不到。蒋如确降，他当离开他……
4月22日，回到瓦窑堡的周恩来给张学良写了一封信，让刘鼎带去。
三天后，张学良接到周恩来的亲笔信，拆开一看，开头写着：座谈竟夜，快慰平生，归语诸同志并电告前方，咸服先生肝胆照人，诚抗日大幸！张学良顿时热血沸腾。他读罢信，心情仍不能平静：“会谈后，我是太满意了，比我想象中好得太多了！我结识了最好的朋友，真是一见如故！我从未见过这样的人。周先生是这样的友好，说话有情有理，给我印象很深，解决了我很多的疑难。我要早见到他就好了！”张学良将信小心装好，又对刘鼎感叹道：“我和蒋先生处了多年，但弄不清他打完红军后是否就抗日。对中共我不仅知道他第一步是抗日，而且还知第二步是建立富强的中国，中国的事从此好办了！”