出席討論關於恢複印度支那和平問題會議的國家有中、蘇、美、英、法、越南民主共和國和法蘭西聯邦的三個國家――越南、老撾王國、柬埔寨王國――共9個國家。
這個談判也是相當艱巨的，談判的主要問題是停火、劃區、監督和國際保證。關鍵是前兩項，先實行停火，然後劃區（南北劃界），兩年後進行全國選舉。
這時，談判的主要對手是法國。當時法國由主戰派的拉尼埃主政，派主戰派成員皮杜爾外長率團參加日內瓦會議。加之美國千方百計阻撓，日內瓦會議開始後，法國遲遲不願討論印度支那問題。
印度支那的越南、老撾、柬埔寨三國，原是法國的殖民地。太平洋戰爭之後淪入日本之手。1945年日本投降後，法國為了在印度支那重建殖民統治，發動印度支那戰爭，先後侵入這三個國家。1945年9月2日，越南人民在胡誌明領導下建立了越南民主共和國。隨後，老撾、柬埔寨的抗法民主力量相繼建立了寮國、高棉抗戰政府。
但是，法國拒不承認越南民主共和國，以及寮國、高棉的抗戰政府，而把它們視為叛軍，當做交戰的對方。在中國、蘇聯的一再努力下，範文同率領越南民主共和國代表團於5月4日到達日內瓦出席會議。後經越南代表團提議，在中、蘇、越三國努力下，寮國、高棉的代表也到日內瓦進行會外活動。
5月8日，日內瓦會議開始討論印度支那問題。
討論印支問題會議的前一天，即5月7日，越南民主共和國人民軍取得奠邊府戰役的輝煌勝利，殲敵16000多人。
5月8日，法國代表團帶著黑紗，打著黑色領帶，哭喪著臉，一掃過去趾高氣揚的勁頭走進會場，低頭就座，一言不發。
越南代表團中有人見此情景，不由笑了一聲。皮杜爾聽到笑聲，氣急敗壞地說：“這麼嚴肅沉重的場合，笑什麼？我們死了那麼多人，你們還幸災樂禍。同你們這些幽靈打交道，真沒有什麼可講的。”
範文同的法文很好，不等翻譯就立即用法文回答：“噢，難道你們是跟幽靈打仗？”
一句話使得法國人無言以對，更顯其狼狽之態。
由於美國的阻撓，加之拉尼埃政府對停戰缺乏誠意，會議進展緩慢。這引起了法國人民的強烈不滿。6月12日，拉尼埃政府倒台。主和派孟戴斯？弗朗斯上台。17日，孟戴斯？費朗斯組成新內閣，自兼外長，親自率團到日內瓦談判，並向法國公民許諾7月20日若不能就印度支那問題達成和平協議就辭職。所以孟戴斯？費朗斯一上台，就對談判采取了較為積極的態度。雖然法國在越南吃了敗仗，但孟戴斯？費朗斯仍不能放下大國的架子。
盡管美國仍然極力阻撓會議就印度支那問題達成任何協議，但周恩來運用統戰工作的經驗和方略，同英國代表團團長艾登、法國代表團團長孟戴斯？弗朗斯等人直接交往、會談。這對促進問題的解決起了很大的積極作用。隨著會議的進展，本來就存在著的美法之間的矛盾日益增大，美國日益孤立。
這時應特別指出的是周恩來6月23日專程到伯爾尼拜訪孟戴斯？弗朗斯，並與他交換意見。會談中，雙方不僅坦率地交換了恢複印度支那和平問題的意見，而且促進了雙方的了解和信任。這對印度支那問題的解決起了積極的、決定意義的作用。
會前中國代表對印度支那的情況並不太了解，隻同越南民主共和國有來往，同老撾、柬埔寨沒有什麼來往。老撾的代表馮？薩納尼空、柬埔寨代表泰普潘第一次在會場上一見麵就罵中國是帝國主義。他們隻知道中國支援越南民主共和國，因而認為越南民主共和國代替中國侵略他們。中國支援越南是支援他抵抗法國的侵略。實際上中國不僅隻支持越南，而且也支持其他印支國家抗擊法國侵略的鬥爭。老撾、柬埔寨代表的上述行為是令人意想不到的，且令人惱火。可是周恩來以他博大的政治家胸懷，不僅沒有發怒，反而派師哲和王炳南去做他們的工作。周恩來說，他們受了法國人的蒙蔽，必須扭轉這種局麵。
師哲和王炳南請他們到中心花園裏觀賞花木，喝咖啡，聊天。他們見中國代表彬彬有禮，不是帝國主義的麵孔，才知自己上當了。進而周恩來請他們吃飯，推心置腹地談話，他們的態度一下子改變過來了，鬥爭矛頭不再指向中國，而是指向法國帝國主義者。
中國代表從他們的談話中了解到不少印度支那的實際情況，及時地修正了政策。同蘇越代表協商後，5月27日，周恩來提出折衷方案：“關於雙方軍隊集結地區，也就是雙方地區調整問題，印度支那三個國家：越南、高棉、寮國的情況不完全相同，因而在雙方地區調整原則確定之後，還要根據三國的具體情況加以實施，因而解決辦法也會有所不同。”會議因此決定越法雙方軍事代表談判越南問題，外長會議繼續討論老撾和柬埔寨問題。
6月24日，日內瓦會議休會。周恩來利用休會機會，應邀訪問了印度、緬甸，向兩國領導人通報了日內瓦會談情況。7月3日，周恩來在我國柳州同胡誌明等越南領導人會談，達成“7月5日協議”：在越南爭取16度以北的地方劃線停火，在老撾爭取把靠近中國和越南的桑怒和豐沙裏兩省劃為抗戰力量的集結區，在柬埔寨隻能政治解決。隨後，周恩來回到北京向中央詳細彙報。7月12日，周恩來經莫斯科回到日內瓦。
經過多方協調、商議，在越南劃分集結區的談判終於於7月20日下午達成協議。在解決這個問題時，周恩來付出了很大的心血，開導、說服越南代表不要在劃線問題上過於糾纏。因為法方已給我方交了底：法國目前隻要求給他留個麵子，以便體麵地擺脫在越南的困境，越南還是越南人的。20日晚，法國分別同越南、老撾、柬埔寨三國簽訂了停止敵對行動的協定。
簽字的那天晚上，周恩來到蘇聯代表團住處訪問，擬會見莫洛托夫，了解情況。但很奇怪，莫洛托夫傍晚9時就外出赴會，直到夜間11時許，還未回來。周恩來在他們的會客室等候了好久，仍不見人回來。
蘇方代表團的人向周恩來解釋說，印度支那三國的代表們早已聚會在會堂裏，但卻拒不簽字，故意找麻煩，拖延時間。其用意是有意給法國方麵的代表們臉上抹黑。原因是孟戴斯？弗朗斯一上台就向法國國民議會許願，說他一定將在7月20日以前達成停戰協定。因此，印度支那三國代表們，非要把簽字儀式拖到當天夜間12點以後，即7月21日淩晨不可。這樣就可以表示關於印支問題的簽字，不是在7月20日完成的，而是7月21日完成的。
莫洛托夫在簽字儀式完成後回到住地時，已經是7月21日淩晨三四點鍾了，周恩來倦意正濃，昏昏欲睡，忽見莫洛托夫回來了，精神頓時振奮起來。隨後，他倆又談了一席話。莫洛托夫說，在簽字儀式上沒有發生什麼意外，隻是印度支那三國代表有意拖延了一段時間。莫洛托夫還說，印度支那三國這一招，可把法國人嚇壞了，急得他們團團轉，坐立不安，結果是虛驚一場。周恩來這才放了心。東方既白，中國代表團才回到萬花嶺別墅。
日內瓦休會周恩來回國期間，中國代表團大部分成員繼續留在日內瓦，由李克農任代團長。英、美、法、蘇等國代表團都留有人員在日內瓦。代表團之間相互也有接觸。一天，美國代表團要求同中方會談一次。要會談，時間不會太短，起碼得準備半小時講話的內容。應該講些什麼呢？師哲、宦鄉、陳家康等人討論，由宦鄉執筆寫了一個稿子。因為周恩來走後，李克農雖任代理團長，但無權解決談判中的任何實質性問題。因此，我方起草講話稿時，擬定了一個原則，即既要保證能講半小時，又不涉及實質問題，不要把自己拴死。會談時，李克農看著稿子向美國代表宣讀一番，隻是海闊天空，泛泛地談了一些無關緊要的問題。第二天的報紙對此作了報道，說中國代表團的話講得很好，很有內容，有價值，有水平。