7月9日下午，在釣魚台賓館5號樓，周恩來與基辛格進行了第一次會談。基辛格一行在京兩天半時間，與周恩來進行了長達17個小時的會談，在談及世界形勢時，基辛格向周恩來保證，美國將隨時向中國通報美蘇會談及中國利益的內容；周恩來則強調中美共同對抗蘇聯擴張的重要性。
在談判中，基辛格向周恩來做出幾點重要讓步：第一，基辛格沒有像曆屆前任那樣，認為“台灣的地位沒有確定”，他明白無誤地表明美國不支持台灣獨立，而且承認台灣屬於中國。第二，他表示“承認中華人民共和國為中國惟一合法政府”，也就等於美國與台灣當局斷交，這將在尼克鬆第二任期後兩年內解決。
同時，基辛格也提出了美方的關鍵條件，美國希望台灣問題得到“和平解決”。這一要求是美國政府從尼克鬆至克林頓一直堅持的對華政策中台灣問題的核心立場。
周恩來也提出了具有曆史意義的中美的建交三條件：美國承認台灣是中國的一個省、美國從台灣撤軍、廢除美台安全防務條約。雙方還就“公告”發表的時間和尼克鬆總統訪華時間的安排交換了意見。
7月16日，中美雙方同時發表公告，宣布中國政府邀請尼克鬆總統在1972年5月以前的適當時間訪華。尼克鬆在宣讀《公告》以後說：“我們謀求同中華人民共和國建立新的關係的行動不會以犧牲我們的老朋友的利益為代價。”“這不是針對任何其他國家的。我們謀求同一切國家之間的友好關係。”⑥顯然尼克鬆是小心翼翼地打開中美之窗。
1972年2月2日至28日，尼克鬆來華訪問。
這是曆史上第一個現職美國總統訪問中國。周恩來親自去機場迎接。
當天下午，毛澤東會見了尼克鬆，表示對他的歡迎。在長達一個多小時的會見中，毛澤東將台灣問題擺在一個次要的位置。他多次表示“台灣事小，世界事大”。尼克鬆清楚地看出毛澤東關心的“大事”，是蘇聯的威脅。尼克鬆總統說，他是為了美國的利益到中國來的。據說，毛澤東對尼克鬆這句話十分欣賞。他建議，雖然中美關係得到改善，雙方媒體仍不得不繼續相互指責，放放空炮，因為兩國敵意已深，不可馬上轉變，而且台灣問題又尚未解決。當天晚上，周恩來舉行了歡迎尼克鬆的宴會。
中美雙方的具體會談，是在中國總理周恩來和美國總統尼克鬆、總統國家安全事務助理基辛格等人之間舉行的。會談在北京舉行了4天，移至上海繼續進行。關於4天的會談，周恩來說：“我們雙方之間有巨大的原則分歧，經過認真、坦率的討論，使彼此的立場和主張有了更清楚的了解，這對雙方都是有益的。”
在舉世矚目下，1972年2月28日，中美兩國領導人在上海發表“聯合公報”。公報內容主要有三部分：
闡明了雙方對國際形勢的各自立場和態度；
雙方考慮到國際關係的準則而就某些問題作出共同聲明；
就兩國關係之間的一些問題雙方共同作出聲明或者各自分別作出聲明。
兩國關係中最突出的是台灣問題。在公報中，“美國方麵聲明：美國認識到在台灣海峽兩邊的所有中國人都認為隻有一個中國，台灣是中國的一部分。美國政府對這一立場不提出異議。它重申它對中國人自己和平解決台灣問題的關心。考慮到這一前景，它確認從台灣撤出全部美國武裝力量和軍事設施的最終目標。在此期間，它將隨著這個地區緊張局勢的緩和逐漸減少它在台灣的武裝力量和軍事設施。”
在兩國關係方麵，雙方在公報中共同表示，要為發展兩國間的科學、技術、文化、體育和新聞等方麵的“聯係和交流”“逐步發展兩國間的貿易”，“提供便利”。這意味著雙方最後的目標是建立真正的外交關係。
公報中關於國際關係的準則及由此而作出的共同聲明，包含和平共處五項原則和反霸條款，對國際關係具有重大和深遠的影響。雙方保證“——任何一方都不應該在亞洲——太平洋地區謀求霸權，每一方都反對任何其他國家或國家集團建立這種霸權的努力”；雙方共同聲明“——任何一方都不準備代表任何第三方進行談判，也不準備同對方達成針對其他國家的協議或諒解”。雙方共同反對“任何大國與另一大國進行勾結反對其他國家；或者大國在世界上劃分利益範圍”。
尼克鬆訪華和上海中美公報的發表，是中美關係發展的一個裏程碑。就公報文字看，中美關係將可能在新的基礎上發展。它構成美國全球戰略調整的組成部分，使美國得到了好處，增加了與蘇聯一河內打交道的籌碼，在中、美、蘇戰略大三角中真正處於有利地位。
中國對中美關係曆來堅持的兩項原則：一是中美兩國之間實行和平共處五項原則，一是美國從台灣和台灣海峽撤軍。美國承認了這兩項原則，它雖然是紙麵上的東西，但不管怎樣，美國的政策確實比以前有了一些改變。從中國方麵來說，接待尼克鬆訪華，促進了中美關係開始正常化的進程，改變了中國在國際的兩個戰略方向上存在重大敵手的處境，是有利的，也是重要的。
3、正式建交
接下來的幾年，由於冷戰的原因導致國際關係進一步惡化，直到1977年在大背景下才有所緩和。
1977年8月初美國報刊透露的總統《第10號備忘錄》，主張在蘇聯入侵中歐的時候，秘密地放棄聯邦德國三分之一土地。這個戰略在歐洲國家引起極大的不滿。這對美國政界關於中美關係正常化問題的看法也產生了一定影響。
因為，借助中國力量，在戰略上謀求“均衡”，對抗蘇聯，這原是美國企圖從同中國關係正常化中得到的好處。
此外，中國粉碎“四人幫”以後，全國出現了安定團結的政治局麵，國民經濟正在恢複和發展，為全黨把工作重點轉移到社會主義現代化建設準備了良好條件。中國同已建交國家發展貿易關係，先後同日本、西歐共同體簽訂貿易協定。這在美國引起了很大的震動，紛紛要求迅速采取改善中美關係的步驟。
據美報統計，1978年上半年，“共同市場向中國的出口比對美國的出口多3倍，日本向中國的出口比美國多5倍”。由於害怕被擠出中國這個擁有巨大潛力的市場，美國一些財團發起一個簽名運動，在香港的一些美國資本家也聯名上書，要求卡特下決心實現中美關係正常化。
這一背景下，卡特於1978年4月11日，在美國報紙主編協會的一次會議上說，在實現上海公報表明的那些目標時，美國承認一個中國的概念，同中國建立正式外交關係符合美國國家的最大利益。卡特隨即派出總統國家安全事務助理布熱津斯基於1978年5月20日至23日訪華。