4月初，周恩來、博古等回到瓦窯堡。4月7日，周恩來和李克農帶著電台向延安進發。4月9日晚，在延安城內一座教堂中同張學良會談。周恩來同張學良一見麵，就說：我是在東北長大的。張學良說：我了解，聽我的老師張伯苓說過。周恩來很奇怪，問：張伯苓怎麼是你的老師？張學良爽快地回答：我原來抽大煙，打嗎啡，後來聽了張伯苓的規勸，完全戒除了，因此拜張伯苓為師。並說：我和你是同師。會談便在這種親切而輕鬆的氣氛中開始了。
張學良首先把他對於國家前途的看法坦率地說了出來。他認為國民黨已經沒有希望了，當前中國隻有兩條路可走，一條共產黨的道路，一條法西斯蒂的道路。他說他兩年前從意大利回國，曾經相信法西斯主義可以救中國，因而主張擁護蔣介石作領袖，實行法西斯主義，領導全國抗戰。但是這條路究竟能否走得通，他現在開始有了懷疑，要求周恩來表示意見。周恩來見張學良態度誠懇，也就以誠懇明朗的態度對他所提的這個問題作了精辟的分析。周恩來指出，法西斯主義是帝國主義的產物，主張個人獨裁，壓迫人民，摧殘群眾，他把資產階級最後的一點表麵上的民主都拋棄了，它是資本主義發展到最後階段的一種最反動的主張。接著，周恩來又說，中國要抗日必須實行民主，以便發動廣大群眾的潛在力量，這種群眾力量是偉大無比的，隻有靠這種偉大無比的群眾力量，中國抗日才有勝利的可能；如果看不到這種群眾力量，就不會有真正抗日的信心，也決不會取得最後的勝利。周恩來還說，德國和意大利是法西斯國家，他們都是同日本帝國主義一個鼻孔出氣的。因此，要抗日就不能仿效這兩個國家講法西斯，講法西斯隻能投降帝國主義，不能抗日。張學良對周恩來的分析表示讚成。
周恩來在第二天致洛甫、毛澤東、彭德懷的電報中這樣寫道：“停止內戰，一致抗日，他完全同意，但他在公開抗日之先不能不受蔣令進駐蘇區。”“他再不進兵無以回答蔣（蔣有電責他，並轉閻電說他隔岸觀火）。”“四方麵軍如北上，他可使陝甘部隊讓路。二、六軍則須取得中央軍同意方可，他願為此事活動。”“國防政府，抗日聯軍，他認為要抗日隻有此出路，他願醞釀此事。十大綱領，他研究後提出意見。”“對蔣問題，他認為蔣部下現有分化，蔣現在歧路上。他認為反蔣做不到。蔣如確降，他當離開他。”“經濟通商，普通購物，由我們在他防地設店自購。無線電、藥品，他可代辦，並可送彈藥。”“彼此互派一得力人偽裝偵察，保持交通。另派有政治頭腦及色彩不濃之人在他處做事活動（克農因太公開，不便在他處任事）。”
會談中，張學良承認紅軍是真心抗日的，“剿共”與抗日不能並存。
表示不願打紅軍，但現在不能離蔣，財政上也要靠蔣，故處在苦悶中。他說：在國民黨要人中，他隻佩服蔣尚有民族情緒和領導能力，故希望蔣抗日。同時，也承認蔣的左右有很多親日派，蔣不能下抗日決心，而且極矛盾。如果蔣真降日，他就辭職而另幹。他認為，根據他兩年來的觀察，蔣介石有可能抗日。他主張他在裏麵勸，共產黨在外麵逼，促使蔣改變錯誤政策，走上抗日的道路。周恩來表示願把這些意見帶回去，提請中共中央鄭重考慮後再作答複。這是促成中共中央在4個多月後作出“逼蔣抗日”決定的一個重要因素。
會談一直進行到第二天淩晨4時才結束。4月13日，周恩來回到瓦窯堡。剛到張學良那裏工作的地下黨員劉鼎也隨同回來。留在瓦窯堡的中共中央負責人立刻召開會議，聽取周恩來的報告。會議同意談判的結果，並派劉鼎繼續去張學良處工作。14日，毛澤東、彭德懷致電周恩來：“張楊兩部關係由你統一接洽並指導之，以其處置隨時告我們，我們一般不與發生關係，對外示統一，對內專責成。”從此，周恩來就統一主持對東北軍和十七路軍的統一戰線工作。延安談判後，中國共產黨同東北軍、十七路軍的關係進入了一個新的階段。