鬆岡洋右邀請施塔默訪問東京。日本內閣於9月上旬多次召開首相、外相、陸相和海相四相會議，確定同其談判的要領：（1）日本與德意兩國對建設世界新秩序具有共同立場，對建立和治理各自的“生存圈”應相互給予支持；（2）日德意三國加強經濟合作，日本向德意提供“大東亞”的農林、水產、礦產品等，德意應向日本提供必要的技術援助和飛機、機械、化學製品等；（3）日德意三國從東西兩麵牽製蘇聯，因勢利導，使之符合三國共同利益，並設法使其勢力範圍向較少直接影響三國利益的地區如印度方向發展；（4）如果“中國事變”大致處理完畢，或國際形勢發生變化而不再容許猶豫，那麼，日本可以對英美使用武力。9月7日，德國政府全權代表施塔默抵達東京，兩天後開始與鬆岡會談，提出了德國對結盟的幾點要求：日本應牽製美國在東亞的行動，阻止其投入歐洲戰爭，並協助德國獲取戰略物資；德國則向日本提供武器和軍事物資，並承認日本在東亞的政治領導權。經兩天會談，雙方在一係列問題上達成共識：日德意三國希望美國不參加歐洲戰爭和“日華糾紛”；德國不要求日本介入其對英戰爭；隻有日德意三國堅決采取一致的態度，才能抑製美國的行動；三國條約下一步也要使蘇聯參加，德國就日蘇合作進行斡旋；德國為避免日美在東亞的衝突而努力。9月11日，雙方對條約草案取得一致意見。9月19日，日本禦前會議認可了會談結果。
德日就締結軍事同盟達成共識後，希特勒決心將意大利拉入同盟條約。意大利雖與德國締結過軍事同盟，但它不想當德國的副手，企圖與德國平起平坐，打一場與德國的戰爭“相平行的戰爭”，以實現複興“大羅馬帝國”的美夢，因而與德國同床異夢。德國發動侵波戰爭後，意大利拒不參戰；1940年法國敗降後，德國曾準備在英國登陸，意大利不顧德國的勸阻，單獨在非洲和希臘挑起戰火。因此，德國希望通過簽訂三國同盟條約向其施壓，迫使其調整侵略計劃，以協同德軍作戰。9月19日，裏賓特洛甫前往羅馬，向墨索裏尼和意大利外交大臣加·齊亞諾通報德日談判的情況，雙方就意大利簽署三國同盟條約達成協議。
1940年9月27日，德意日三國在柏林簽訂為期10年的同盟條約。條約開宗明義地寫道，德意日三國合作的目的就是要在歐洲和“大東亞”地區建立並維持新秩序。第一、第二條規定，“日本承認並尊重德意誌和意大利在歐洲建立新秩序的領導權”；“德意誌和意大利承認並尊重日本在大東亞建立新秩序的領導權”。第三條規定，“如果三締約國中之一受到目前不在歐洲戰爭或中日衝突中的一國攻擊時，應以一切政治、經濟和軍事手段相援助。”第五條規定，本條約諸款“毫不影響三締約國各與蘇俄間現存的政治地位”。此外，為了實施本條約，條約還規定三國派員組成聯合技術委員會。在三國條約簽訂的當天，鬆岡和德國駐日本大使歐·奧特還在東京互換了幾項秘密議定書。議定書規定，如果日本遭到尚未參加歐洲戰爭和中日戰爭的國家攻擊，德國將全力給予經濟和軍事援助，並預先盡力給予技術和物質援助，協助日本做好應付此類事變的準備；如果日本同英國開戰，德國盡量援助日本；德國將盡全力促進日本與蘇聯之間的友好諒解；以前屬德國而此時由日本受國聯委托管理的島嶼，仍由日本統治，但日本應給德國一定補償；此時由日本占領的前德國屬地在歐戰結束後應歸還德國，屆時雙方可經過談判，將這些屬地賣給日本。
三國同盟條約的簽訂，是德意日實現政治、經濟、軍事全麵勾結的標誌，它加強了法西斯國家的戰略地位，加速了德意日法西斯的侵略擴張步伐。太平洋戰爭爆發後，為鞏固三國同盟，協調各方行動，1941年12月11日，德意日三國又在柏林簽署聯合作戰協定，規定締約國各方將以一切手段對英美作戰，直到徹底勝利，非經協商，不得單獨同英美休戰或媾和。
1942年1月18日，三國又簽署新的軍事協定，劃分各自的作戰區：東經70°以東的亞洲大陸和太平洋地區屬日本作戰地帶，東經70°以西的近東、中東和歐洲屬德意作戰區域。