宋美龄、宋子文等12月22日飞抵西安，张学良和杨虎城均到机场迎接。张学良将一行人士安置在西京招待所住下。宋美龄稍事安顿后，就去看关在高桂滋公馆的蒋介石。
宋美龄回忆说：
余入吾夫室时，彼惊呼曰：“余妻真来耶？君入虎穴矣！”言既，愀然摇首，泪滑潸下。余强抑感情，持常态言曰：“我来视君耳。”
蒋向宋诉说了被劫持的经过，开始还是做出坚持在“劫持中决不作任何承诺，因要求我勿以签订某种文件相劝”的姿态。在宋美龄将国内、国际的形势以及外国政府的态度告知后，蒋介石转换了态度，提出了两个谈判前提条件，一是他不直接出面，由宋子文、宋美龄代表他谈判；二是谈定的所有条件他都不签字，以“领袖人格”担保回南京后执行。
张、杨从大局出发同意了蒋的要求，正式谈判从12月23日上午开始。张学良、杨虎城、周恩来同宋子文谈判。鉴于张、杨是蒋的部下，就由周恩来以中共全权代表的身份提出六项条件：（一）停战，南京方面撤军至潼关外；（二）改组南京政府，排逐亲日派，加入抗日分子；（三）释放政治犯，保障民主权利；（四）停止“剿共”，联合红军抗日，允许中共公开活动；（五）召开各党各派各界各军救国会议；（六）与同情抗日的国家合作。张、杨同意以此为基础谈判。宋子文表示个人同意，答应转告蒋介石。关于放蒋的条件，宋提出只要蒋下令撤兵，即应允回南京，到南京后再释放沈钧儒等七位爱国领袖。张、杨、周要求先撤兵，释放政治犯，蒋才可回南京。
宋子文在日记里写道：“委员长说，我必须要求周同意：一、取消中华苏维埃政府；二、取消红军名义；三、放弃阶级斗争；四、愿意服从委员长作为总司令的指挥。要告诉周，他一刻亦没忘记改组国民党之必要。他保证将于三个月内召集国民大会……重组国民党后，倘若共产党尊其为服从总理，他将同意：一、国共联合；二、抗日容共联俄；三、他将给汉卿发布手令，收编红军，收编人数将视其拥有武器之精良度决定。” 23日下午四方继续进行谈判，宋子文根据蒋的意思对六项条件提出修改意见。
周恩来对这次谈判的情况，在12月23日给中共中央的电报中做了如下记载：
（甲）宋子文、宋美龄、蒋鼎文昨到西安。蒋暗示宋改组政府，三个月后开救国会议，改组国民党，同意联俄联共。
（乙）今日我及张、杨与宋谈判。
第一部分，我提出中共及红军六项主张：
子、停战，撤兵至潼关外。
丑、改组南京政府，排逐亲日派，加入抗日分子。
寅、释放政治犯，保障民主权利。
卯、停止剿共，联合红军抗日，共产党公开活动（红军保存独立组织领导。在召开民主国会前，苏区仍旧，名称可冠抗日或救国）。
辰、召开各党各派各界各军救国会议。
巳、与同情抗日国家合作。
以上六项要蒋接受并保证实行。中共、红军赞助他统一中国，一致对日，宋个人同意，承认转达蒋。
第二部分，宋提办法及讨论情况：
子、宋提议先组织过渡政府，三个月后再改造成抗日政府。目前先将何应钦、张群、张嘉璈、蒋鼎文、吴鼎昌、陈绍宽赶走，推荐孔祥熙为院长，宋子文为副院长兼长财政，徐新六或颜惠庆长外交，赵戴文或邵力子（张、杨推荐）长内政，严重或胡宗南长军政，陈季良或沈鸿烈长海军，孙科或曾养甫长铁路，朱家骅或俞飞鹏长交通，卢作孚长实业，张伯苓或王世杰长教育。我们推宋美龄、杜重远、沈钧儒、章乃器等人长行政院。宋力言此为过渡政府，三个月后抗日面幕揭开后，再彻底改组。我们原则同意，要宋负责；杜、沈、章等可为次长。
丑、宋提议由蒋下令撤兵，蒋即回京，到后再释爱国七领袖。我们坚持中央军先撤走，爱国领袖先释放。
寅、我们提议在这过渡政府时期，西北联军先成立，以东北军、十七路军、红军成立联合委员会，受张领导，进行抗日准备，实行训练补充，由南京负责接济。宋答此事可转蒋。
卯、在蒋同意上述办法下，我们与蒋直接讨论各项问题（即前述六项）。宋答可先见宋美龄（子文、学良言她力主和平与抗日）。
（丙）如你们同意这些原则，我即以全权与蒋谈判，但要告我，你们决心在何种条件实现下许蒋回京。请即复。
12月24日上午，四方继续进行谈判，不同的是宋美龄加入了谈判。又经过一个上午的谈判，到中午基本结束，大致达成了如下协议：（一）孔祥熙、宋子文组行政院，肃清亲日派。（二）中央军撤兵并调离西北。（三）蒋允许回后释放爱国领袖。（四）苏维埃、红军仍旧。两宋担保蒋停止“剿共”，并经张学良接济。抗战发动，红军再改番号，统一指挥，联合行动。（五）开放政权，召集救国会议。（六）分批释放政治犯。（七）抗战发动，中共公开。（八）联俄，与英、美、法联络。（九）蒋回后通电自责，辞行政院长职。对于放蒋的问题，两宋要求在蒋下令停战撤兵后即日回京，张学良当即表示同意，杨虎城、周恩来则答应再考虑。
放蒋，杨虎城原则上是同意的，他在谈判前就与张统一过思想。杨之所以没有立即同意，主要是考虑在什么条件下放最有利。周恩来则是还没有得到中共中央关于他“你们决心在何种条件实现下许蒋回京”的指示。宋子文对谈判的结果在日记中有详细描述。
他与宋美龄一道向蒋介石汇报了谈判结果，当天在日记中写下了蒋介石的答复：
（一）他将不再担任行政院院长，拟命孔（祥熙）博士担任。新内阁绝不会再有亲日派。
（二）返回南京后，他将释放在上海被捕之七人。
（三）1.设立西北行营主任，由张（学良）负责。2.同意将中央军调离陕、甘。3.中共军队应当易帜，改编为正规军某师之番号。4.中日一旦爆发战争，所有军队一视同仁。
（四）1.派蒋鼎文将军去命令中央军停止进军。2.将与张学良讨论双方共同撤军，在离开西安后，他将发布手令。
我将上述答复交予张、杨及周，他们似甚为满意，次日上午，他们将召开军事委员会会议。当日深夜，周拜访了蒋夫人，同时他亦与委员长简单寒暄了几句。
12月24日下午，张学良、杨虎城分头去处理其内部事务，委托周恩来与宋子文继续接触。周恩来单独向宋提出了见蒋介石的要求。经蒋同意后，当晚，由宋氏兄妹陪同周见到了蒋介石。这次周与蒋的会见一直没有详细的记载。只有申伯纯在《西安事变纪实》中作了如下描述：“当天晚上，周恩来在宋氏兄妹陪同去见蒋介石。两宋告诉周，蒋这两天病了，不能多谈话。周一进蒋的卧室，望见蒋躺在床上。蒋见周进来，勉强从床上坐起来，请周坐。周这时看清蒋的形容衰老憔悴，满嘴没有牙，难看得很，远非当年在黄埔军校的样子。周向蒋说：‘蒋先生，我们有十年没有见面了，你显得苍老些。’蒋点点头，叹口气，然后用眼睛直看着周说：‘恩来，你是我的部下，你应该听我的话。’周立即回答说：只要蒋先生能够改变‘攘外必先安内’的政策，停止内战，一致抗日，不但我个人可以听蒋先生的话，就是我红军也可以听蒋先生的指挥。蒋听了这句话，沉默了一下，好像有很多感慨的样子，然后向周表示以下三点：1.停止剿共，联红抗日，统一中国，受他指挥；2.由宋、宋、张全权代表他与周解决一切（所谈如前）；3.他回南京后，周可直接去谈判。谈完以上三点，蒋坐在床上表现出疲劳困顿的样子，指着宋氏兄妹说：‘你们可以多谈一谈。’周于是向蒋说：‘蒋先生休息吧，我们今后有机会再谈。’蒋连说：‘好，好。’周就此辞出。”另外，见蒋时周恩来还告诉蒋他儿子蒋经国在苏联还活着，中共可设法让其回国。
