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12月13日，中共中央决定周恩来，秦邦宪、叶剑英等人组成中共代表团，赴西安参加谈判。周恩来遵照中共中央“和平解决西安事变”的方针，在西安进行了艰苦卓绝的工作，耐心说服主张杀掉蒋介石的张、杨所部中下级军官，宣讲中国共产党的政策，终于使张、杨及其部下们接受了和平解决事变的主张。
在劝说张、杨及其所部军官的同时，周恩来也亲自对蒋介石做了大量的思想工作，动之以民心国情、晓之以民族大理，至少在心理上缓解了蒋介石对中共的戒惧。
12月19日，张、杨联名发表《告东北军、西北军将士书》：
双十二抗日救国运动，酝酿了许久，现在已经揭开七八天了。我们为什么发动这样的运动？为争地盘吗？不是。为泄愤吗？也不是。我们反对政府的屈辱外交，国家都要亡了，还在这里出死力相残杀。所以才提出抗日救国运动八项主张。我们主张的核心是集合全国各党各派的力量，以民众的总动员，去抗日救国。
也许有人在那里怀疑绥远军队已经在那里抗日了，听说也有些中央军队在那里参加，很是胜利。可见中央已在那里抗日，为什么还要我们这样发动？不！不！事实绝不是这样简单。中央军是摆在晋军与绥军中间，而且只有两师。阎副委员长所要求的二十万大军援绥，中央答复无法抽调。然而到西北打红军的内战却源源来了几十万大军。由这样的事实，他们所说抗日，不过是欺骗民众的一种办法，绝对没有真正抗日的决心，这不是很清楚吗？
双十二运动发生的一天，中央飞机数十架一齐发动到西安来侦察，而在绥远的抗日血战中，中国飞机却半架也没有。据他们说是因为天气太冷，飞机发动不容易，但敌人的飞机怎么能发动呢？也许我们的飞机不好，那我们为什么必要买那样不好的飞机呢？而且到寒冷和绥远差不多的西北的飞机怎么就能发动使用呢？这种欺骗情形，凡是有知识有眼睛的人，谁看不清楚。我们全是中国人，谁不知飞机献寿为的是抗日。因为有抗日作目标，群众才那样的热烈。而现在我们有飞机却不去对外，使我们的抗日战士无可奈何地受着敌人飞机的时时轰炸。这是抗日吗？这是真心抗日吗？如果这样就算抗日，试问我们的东北四省、我们的察北六县、我们的冀东二十二县，什么时候才能收复回来？这是敷衍欺骗的抗日，绝对不是我们要求的彻底抗日。
也许还有人相信抗日的“准备论”，这更是大错。我们不要把日本当傻瓜，认为我们会准备人家不会准备。老实说，我们准备得还不到五分，人家已经准备到十分了，试问这样准备有什么用呢？这岂不是等人家准备好了来整个吞并我们中国吗？再说，人家也绝对不许可我们准备，在我们准备过程中，人家已经用经济、政治、外交、军事各种各样的锁枷把我们束缚得死紧，教我们动不得身、抬不得头。试问我们又如何能够准备起来？这不是梦想吗？
我们因为不信任变相汉奸的、至少也是犯恐日病的抗日准备论，我们因为看破了南京抗日是欺骗，至少也是敷衍民众的一种手段，所以才以极大的热诚劝蒋委员长变更他的错误政策。但我们大胆的赤诚劝谏，都一次一次的失败了。我们为服从全国潜在大多数民意，我们为贯彻我们的也是全民的抗日救国主张，所以才有这一次双十二事件的发动。
我们的希望，只是集合全国的力量去抗日救国，是绝对纯洁的，是绝对发自内心的，无一毫私心，无一点背景。凡是同情我们主张的，不管他是哪党哪派我们均愿意渴诚欢迎。我们的目的在对外，绝对不造成内战，并且极力避免内战。但是如果有违反民意的汉奸，用武力压迫我们，使我们不得贯彻主张，那我们为扫除误国误民的分子，争取民族的最后生存，当然我们要起而自卫，并且要粉碎这种恶势力。这不是我们造成内战，而是实行抗日救国的清道工作。
亲爱的将士们！事实已经摆在我们面前，我们的国家，已到了生死关头，真是抗日则生，不抗日则死。我们必须巩固我们抗日救国的战线，去与一切破坏我们的恶势力相拼，方能实现我们的主张，才能收复我们的失地，才能渝雪我们的一切国耻。这是我们由理论而实行的时候了，我们需要团结，我们需要奋斗，我们必须不辞一切光荣胜利的牺牲。我们的基础是民众，必须用尽我们的智慧爱护他们。我们所要贯彻的是我们的主张，所以必须确信我们的基本理论。我们需要以不顾一切的精神来冲破我们的一切困难，这才是我们抗日救国战线上忠实同志所必要的精神和勇气。
亲爱的将士们！我们热血沸腾的将士们，我们一定要不辞一切艰险牺牲，去争取中华民族的解放与自由，去达到我们最后的胜利。
蒋介石到了这种时候仍然不忘记要政治手腕。当他得知“讨逆军”已开始行动的消息后，既怕何应钦的军事讨伐会危及自己的生命，又想利用讨伐的王牌来要挟张、杨早日放他、所以，端纳奉宋美龄之命来讨一张“停战手令”时，他只给何应钦下了停止军事讨伐三天的命令。但就是这个命令，何应钦也并未接受，他说这个命令是蒋介石在西安被迫下达的，因此决定不予执行。直到18日，蒋鼎文携带蒋介石的亲笔手令从西安飞回南京，何应钦的讨伐行动才停了下来。
这时，端纳也回到了南京。宋美龄意识到，目前真正能够劝说蒋介石接受谈判的只有她本人了。于是，她决定同宋子文一起飞赴西安，但何应钦却不允许，他对宋家兄妹说：“你们去西安，安全问题我不负责。地上过不去，天上有空军干涉！”此时，张学良闻知宋美龄要赴西安，也来电奉劝她在绝对停止军事冲突之后再动身。宋美龄见状，遂决定由宋子文先去西安。20日，宋子文与端纳一起飞往西安。
宋子文抵西安后，即与周恩来进行了长谈。周恩来耐心地向宋子文阐明了中共“停止内战、一致抗日”的主张，使来深受感动。当晚，宋子文和张学良一起来到蒋介石的住所，两人一齐力劝蒋介石接受谈判。经一番激烈的争辩，蒋介石的态度始稍有转变，从拒不谈判转为讨价还价。
21日，宋子文带着满意的心情返回南京，他一到南京就到处宣传西安的情况，称颂周恩来有“政治远见”。宋美龄由此更坚定了和平解决西安事变的决心，22日，宋美龄偕同宋子文、端纳、蒋鼎文、戴笠等人来到西安。当时蒋介石对张、杨二人的行为仍有强烈抵触情绪，经宋美龄、宋子文等传达南京方面的局势，蒋介石也认识了何应钦、汪精卫等人的险恶，12月24日，蒋介石同意与张、杨还有周恩来谈判，被迫接受了联共抗日、释放政治犯、担保内战不再发生等条件。但蒋介石坚持不在书面文件上签字，他强调的理由是，如果形成书面文件，他就将在全国失去威信，以后的领袖就不好当了。但蒋介石再三保证：对自己的承诺决不食言。
周恩来向蒋介石指示，中共以国家民族利益为重，对蒋以德报怨，不仅不主张杀他，只要他停止内战，共同抗日，还是主张放他。周恩来一针见血地指出，目前形势是不抗日无以报国，非团结无以救国，坚持内战，自速其亡，只有放弃“攘外必先安内”的反动策略，一致团结对外御侮，才是唯一出路。在周恩来同蒋介石谈话时，宋美龄及宋子文还对周恩来表示了由衷的敬佩和感谢。蒋介石遂以“领袖人格”担保，表示回南京后即执行谈判协议。至此，和平解决西安事变的进程实现了关键的一步。
当时，虽然蒋介石口头上同意了执行谈判协议，但由于他没有签字，中央军也还没有撤至潼关以东，因此，在西安的许多爱国将领不同意就这样放蒋介石回南京。宋氏兄妹每天处于焦虑与疑惧中，唯恐变生意外。于是，宋美龄和宋子文一方面频繁往来于东北军和十七路军将领们中间，多方做解释工作，另一方面要蒋介石派蒋鼎文持他的手令，命令双方的军队自潼关各向后撤1千公尺，并将西安谈判的进展情况转告何应钦和孔祥熙。在抓紧以上两个方面的工作之外，宋美龄还努力做张学良的工作，不断给他施加压力，说南京方面已有采取军事行动的心理，一旦大规模的国军进攻开始，双方都可能毁于一役。为了维护自己与蒋介石的尊严，她责怪张学良铸成了“大错”，同时又表示理解张学良“确为造福国家”的初衷。
因为蒋介石和宋美龄都是基督徒，所以，宋美龄一再要求张学良在圣诞节前放蒋归宁，希望张学良以释放他们做为“圣诞礼物”。张学良深恐在放蒋这最后一步上出什么乱子，于是在12月25日下午 3时许，在既没和周恩来打招呼、也没有同杨虎城商量的情况下，拉着杨虎城陪同蒋介石径直去了机场，又亲自送蒋介石飞往南京。
震惊中外的“西安事变”就此和平解决。
蒋介石回到南京，当时是有那么一个所谓“举国狂欢领袖回京”的场面，陈公博在回忆中说：
“蒋先生离陕的那夜，说张杨服从蒋先生的命令了。然而西安那夜也全城放鞭炮，警察也一样的拍老百姓的门叫放鞭炮，说蒋先生服从张、杨的主张了。”
蒋介石为了表明自己对事变的责任，在12月29日特呈请辞去行政院院长及军事委员会委员长职务，经国民政府和国民党中央委员会加以慰留，给假一个月藉资疗养。
张学良陪蒋介石回南京，就被交军事委员会处分。12月31日，军委会军法会审，判处张学良徒刑10年，剥夺公民权5年。4天之后，即1937年1月4日，又命令特赦，交军委会严加管束，说这次特赦是应蒋介石的请求，这一场“审张”、“赦张”又“管束”的丑剧，实际上是给蒋介石一个体面的下台阶。由于张学良的轻信，加上他只想到表明自己是出乎公心，并非私仇，也有那么一点江湖义气，就送蒋介石回南京，从此便失去自由。杨虎城被逼于1937年6月辞职，遣送欧洲考察。到抗日战争爆发后，杨认为蒋介石可能会履行诺言，便不顾个人安危，于1937年11月毅然携眷回国。杨回国后，便被拘禁，直至1949年9月，蒋介石在逃离大陆前，密令毛人风将其杀害。
对“西安事变”，蒋介石是很痛心的，他认为：
“此次事变，为我国民革命过程中一大顿挫。八年剿共之功，预计将于二星期（至多一个月）可竟全功者，几乎唤于一旦。而西北国防交通、经济建设，竭国家社会数年之心力，经营敷设，粗有规模；经此变乱，损失难计。欲使地方秩序、经济信用恢复旧观，又决非咄嗟可办。质言之：“建设进程，至少要后退三年。可痛至此！”
西安事变也是对蒋介石与宋美龄的关系的一次严重考验。尤其是宋美龄在关键时刻挺身而出，力排众议，并甘冒风险，亲赴西安，面会张、杨稳定局面，终于化险为夷，使西安事变得以和平解决。这其中，固然是中共中央及张、杨等人抗日救国的决心和远见起了关键的作用，但�