當時王炳南仍是駐華沙大使。8月底的一天，他接到章漢夫發來的一個特急電報，說有要事相商，讓他盡快回京。密切關注局勢發展的王炳南心裏估計，很可能與恢複中美會談的事宜有關。
果不出所料，回京後才兩天，王炳南便接到通知，要在中央政治局的會議上具體彙報前一階段中美大使級會談的情況。當時，毛澤東、周恩來、劉少奇、朱德等都出席了。當王炳南談到，由於我們掌握真理，對美國無所懼無所求，因此才在會談中處於主動地位時，主席笑著插話問他：“我們要台灣回歸祖國，怎麼就無求於美國呢？”
王炳南說：“台灣自古就是咱們中國的領土，美國無權霸占，它本該交還我們，而不我們去求它。”會議要散場時，毛主席握著他的手興奮地說：“你講得好，有朝氣，躍進了！”在一旁的喬冠華也由衷地豎起了大拇指：“你講得真好！”
在中國的倡議下，在國際輿論的關注下，美國終於指派了美國駐華沙大使雅各布·比姆為重開談判的代表，會談地點由日內瓦轉至華沙。9月15日，中美大使級華沙會談就在台灣局勢十分緊張的情況下重新開始了。
比姆也是一位有經驗的美國職業外交家，沉著冷靜，他在會談一開始就要求中國停止對沿海島嶼的炮擊。對此，王炳南平靜地反駁，指出美國無權代表台灣當局提出停火的建議。就這樣，會談開始一段時期後，美國對台灣的態度依舊，沒有任何鬆動的跡象，因而會談又陷入程式化。
1960年4月6日，舉行了中美第一百次會談。王炳南認為，為了今後會談的進展，也為了讓世人了解會談所以停滯不前的真相，有必要作一個總結性發言。麵對比姆大使，他首先列舉了美國侵略台灣的曆曆事實，指出“玩火者必自焚”，然後又說：“中美之間的爭端能否解決，單憑中國一方的努力是不行的，現在是你們認真考慮對中美會談的態度的時候了。遲考慮不如早考慮。早考慮，你們可以早日得到解脫。”比姆在聽了王炳南這番慷慨激昂的發言後，一言不發，他有些趟尬，除了表示失望以外，他無法進行有力的反駁。
這年年底，肯尼迪上台，但他的對華政策仍是新瓶裝舊醋，因而中美會談仍像一塊無法推動的巨石，豪無進展。1961年9月上旬，比姆奉調回國，王炳南對手再易其人。
曾任美國駐巴西大使的卡伯特由於有過在上海當總領事的經曆，對中國問題較熟悉，因而很自然地被選為新一輪會談的美方代表。他是一個性格爽朗，不拘禮節的人，即使在談判桌上，他也常常和王炳南開玩笑。有一次，他笑嗬嗬地對王炳南說，你們中共應該感謝我們美國，你看你們勝利後檢閱軍隊，不是有很多美式裝備嗎？這些裝備是蔣介石供給你們的。所以你們稱蔣介石為運輸大隊長，他送武器給你們，連張收條也不要！
當時，台灣地區的局勢空前緊張。蔣介石看到中共與蘇聯不和，而且大陸連遭嚴重的自然災害，便認為這是“光複大陸”千載難逢的好時機，他大肆招兵買馬，準備大幹一場。在這種情況下，美國是支持還是反對蔣介石，便顯得很重要。總理指示王炳南說，要盡快通過會談，找機會了解美國態度。
為了便於無拘束地交談，王炳南采用了非正式的會談方式。6月23日，他邀請卡伯特到其官邸喝茶，卡伯特欣然赴約。席間，王炳南先打外圍，說中國對東南亞局勢的發展很擔心，然後又著重說，中國提請美國注意台灣進行軍事冒險，其結果絕不會給美國帶來任何好處，美國必須為這種冒險產生的嚴重後果負完全責任。最後，王炳南用警告的口吻說：“我可以斷定，蔣介石竄犯大陸之日，就是中國人民解放台灣之時！”
卡伯特聽了他的話，停頓了一會兒，然後很爽快地說：“在當前情況下，美國決不會支持蔣介石發動對中國大陸的進攻。我向貴大使保證，我們絕不要一場世界大戰，如果蔣介石要行動，我們兩家聯合起來製止他。”末了，他又由衷地說：“王大使，我很欣賞你的坦率精神。”
聽了卡伯特明確的表態，王炳南不禁鬆了一口氣。美國的態度已很清楚，這正是我方急於要知道的。王炳南一刻也不遲緩地把這次談話內容報告給了國內。事後，中央的領導同誌對王炳南及時提供的情報表示相當滿意，因為這對當時國內的決策起了很大作用。
此後，王炳南又與卡伯特進行了十幾輪會談。然而，在中美兩國的實質性問題上，談判仍無結果。到了1964年，王炳南奉調回國，其職由王國權大使接任。
這場馬拉鬆式的談判一共持續了15年，直到1972年尼克鬆訪華，局勢發生了重大變化才宣告結束。漫長的來來往往停停走走中，王炳南無愧是一員桿將。
從某種意義上說，大使級會談就是當時特定曆史條件下的兩國關係。兩國雖然隔絕，但實質上是互相了解底細的。試想，如果沒有周總理、王炳南等人的智慧和才幹，沒有這核十幾年的中美大使級會談，美國會在承認台灣是我國神聖領土的長件下，和我國建交嗎？因而它的意義是深遠的。也正因為此，說起中美建交時，王炳南才能泰然寫上一句：“這是我們這一代人在中國外交事業上的足跡和心血。”