12月16日下午，当端纳再次从洛阳返回西安时，南京政府已下达了对张、杨的“讨伐令”。国民党20余万军队已进驻潼关至华阴一带，战事一触即发。
12月17日，在何应钦通电就职“讨逆总司令”之时，国民党军对陕西三原、渭南和赤水车站等地的大肆轰炸已进入第二天，数百居民死伤。国民党二十余万军队已进驻潼关至华阴一带，战事一触即发。
同日，周恩来一行在十七路军的保护下乘张学良座机抵达西安。次日下午，周恩来前往“止园”会见杨虎城。“此次谈话确立了中共和张、杨‘三位一体’逼蒋抗日的方针。紧接着，宋子文、宋美龄、端纳、戴笠等人在12月22日飞抵西安，开始与‘三位一体’进行释蒋谈判”。
“在18日下午，杨虎城与周恩来会谈，周恩来的真知灼见和真诚坦荡的作风，让我的祖父非常钦佩，称周恩来为‘周圣人’。”
当宋子文冲破何应钦的阻拦，20日上午到达西安时，曾为周恩来先期到达西安而大惊失色说：“周恩来一来，事情(指放蒋)就难办了。”
12月23日至24日，张学良、杨虎城、周恩来同宋子文及后来加入谈判的宋美龄达成了停止内战、停止“剿共”、一致抗日等六项协议。24日晚，蒋介石会见了周恩来，表示以人格保证接受六项协议，并邀请周恩来到南京就国共合作直接同他谈判。
但是，蒋介石只同意以“领袖人格”保证，不肯签字。这样，在放蒋问题上，西安方面就出现分歧。有的人主张继续扣蒋，命蒋在西安发号施令;有的人同意放蒋，但坚持蒋必须签字;还有人则提出让蒋介石在西安对全国作广播讲话。
“25日放蒋介石，24日晚上，张学良和杨虎城因为张学良主张立即放蒋介石回南京而大吵了一架。祖父不同意那么简单的放，觉得放得不明不白，他主张是至少得签个文件，有个书面的保障;张学良认为把蒋介石赶快送走，想得比较简单。我祖父没有向外人透露这次争吵，因为他知道让蒋介石离开，一定会让他们俩人头落地;而张学良吵完架就告诉了宋子文。”杨瀚说：“大家都反对蒋介石、张学良离开的这种轻率、危险的做法。我祖父当时就说‘蒋介石的人格是不可靠的。”
蒋介石在《西安半月记》载，12月24日夜，“闻杨虎城坚决不主张送余回京，与张争几决裂”。在《西安事变反省录》中，张学良也曾述及：在送蒋离陕问题上，与杨虎城发生歧见，言语急躁，几乎同杨决裂。
12月25日下午，蒋介石在张学良亲自陪同下，乘飞机离开西安，当日抵洛阳。在离开西安前，张学良留下手令，把东北军交给了杨虎城指挥。这份用红色铅笔写的手令写道：
“弟离陕之际，万一发生事故，切请诸兄听从虎城、孝侯(于学忠)指挥。此致，何、王、缪、董各军、各师长。张学良，廿五日。以杨虎城代理余之职，即日。”
1966年，周恩来曾对杨虎城长子杨拯民说：“有人问我，‘西安事变’时如果把蒋介石杀掉会怎么样?我看也不过是日本人早打进来，革命力量早发展，抗日战争也许早胜利。结果未必坏。”