與李克農的談判不歡而散，張學良進一步要求與毛澤東親自談判。李克農返回陜北，向中共中央轉達張學良的要求。經過慎密考慮，中共中央決定派
周恩來前去談判。楊虎城得到東北軍打假仗的消息，但不敢確定張學良是否通共。特使董建吾前來向張學良借專機飛往陜北，并向中共中央轉交了國民政府的信件，并將毛澤東的回復信帶回南京。同時，蔣介石依舊不放棄武力進攻陜北。張學良得到周恩來要來談判的電報，即前往膚施準備談判。
周恩來攜李克農等人前往膚施。剿共前線軍事考察團的記者會上張學良中途離席，自駕飛機前往膚施。張學良與周恩來帶領的中共代表團圍繞是逼蔣抗日，還是反蔣抗日等問題上進行了徹夜會談，同時張學良為了支持共產黨抗日提供了經濟支援，毫不知情的楊虎城也開始覺得近期張學良的舉動有所異常。張學良與周恩來會面后，直接前往閻錫山住處，說服閻錫山同自己一起與共產黨聯手北上抗日。
在得到閻錫山的默許后，張學良向中共轉達了閻錫山的建議，促成了中共與閻錫山的合作關系。陜北由于被嚴密封鎖，醫藥等物資供應不暢，中共決定動用劉鼎這條暗線向陜北輸送藥品。“兩廣事變”爆發，蔣介石開始警惕地方勢力的擴張。中共北方局委托愛國民主人士高崇民聯系楊虎城轉移醫藥物資，運輸途中被張學良的衛隊營抓獲，張學良帶著被抓的軍官到楊公館與楊虎城對質。