在國共第四次談判陷于僵持的形勢下，中共作出退讓，草擬了12條談判意見，并通過宋美齡轉交給蔣介石，其內容大致為：國民黨中央公開表明贊同《中共中央為公布國共合作宣言》，各報刊可公開發表；迅速發表陜甘寧政府名義，從張繼、宋子文、于右任3人中擇1人担任正職，由林伯渠任副職，其范圍包括現在所轄18縣，其疆界請國民政府行政院和邊區政府劃定；國共雙方派人分赴鄂豫皖、閩浙贛、閩粵贛、湘鄂贛等地聯絡與傳達國共合作方針，對南方紅軍游擊隊實行改編；允許中共在延安出版的《解放》周刊在全國發行；紅軍改編的具體意見。

然而，蔣介石對這12條意見沒有任何回應，仍堅持紅軍改編后不設統一的軍事指揮機關，3個師直屬行營管理；3個師的參謀長由南京派遣；政治主任只能轉達人事、指揮的安排，可以周恩來為主任、毛澤東為副主任。這顯然是想讓沒有統一軍事指揮機關的紅軍聽命于南京政府的行營，進而逐漸吃掉紅軍。對此，周恩來自然極力反對，談判遂再次陷入僵局，中共代表離開廬山到達上海。7月20日，張聞天、毛澤東發電報指示周恩來、博古、林伯渠說，如果蔣介石不讓步，我們就不再繼續談判，并要求周恩來和林伯渠暫留上海，以觀察形勢的發展變化，等待重開談判。

隨著華北局勢的日益危急，全民抗戰已成山雨欲來之勢，周恩來在上海注意到形勢的發展，致電張聞天、毛澤東，建議紅軍改編的工作應先行開展，不管形勢如何變化，紅軍須“立即自行改編為3個方面軍、6個單位的統一組織，每個方面軍編足1萬5千人，獨立軍、師都編入，加強干部，使各方面軍都能獨立工作”。7月27日，周恩來等到達西安，當日在與蔣鼎文會談時，即得到蔣介石的口信：紅軍迅速改編，出動抗日。針對蔣介石的催促，周恩來讓蔣鼎文轉告蔣介石：紅軍同意改編，同意開拔，但是南京應立即發表《中共中央為公布國共合作宣言》。周恩來回到延安后，參加了中央關于紅軍改編出動抗日的會議，會議決定：立即爭取西安行營的同意，將紅軍集中三原改編，編足4萬5千人，3個師以上設總指揮部（將來可讓步為軍部），朱德任正職，彭德懷任副職。

7月29、30日，北平、天津相繼淪陷后，蔣介石于7月31日發表《告抗戰全軍將士書》，聲稱：“和平既然絕望，只有抗戰到底。”。接著，周恩來和博古趕赴云陽鎮，出席紅軍前敵總指揮部召開的紅軍高級干部會議，共議紅軍改編、出動抗日的問題，并同朱德、彭德懷、任弼時等商定紅軍改編中的編制、分布、干部配備等問題。

就在此時，葉劍英從西安發電報給周恩來說，桂系將領李宗仁、白崇禧和川軍將領劉湘等將去南京，出席國民政府軍事委員會召開的國防會議。蔣介石、李宗仁這對生死冤家都能坐在一起，共議危亡之局，真可謂“兄弟鬩于墻，外御其侮。”，因此，周恩來料想中共也將被邀參加會議，為了掌握團結抗日的主動權，他致電毛澤東、張聞天，提出中共應派人參加，爭取公開合法的地位。果然，8月1日，毛澤東轉來張沖的急電：蔣介石密邀毛澤東、朱德、周恩來速至南京共商國防問題。就這樣，本已停滯的國共談判又峰回路轉，柳暗花明。周恩來電復張沖：如開國防會議，則同朱德、葉劍英去；如系談話會，則同林伯渠、博古、葉劍英去。張沖立即復電，說明是開國防會議，希望毛澤東、朱德、周恩來到南京參加會議。

對于即將開始的國共第五次談判——南京談判，其最突出的問題是紅軍改編和出動抗日的問題，為此，中共進行了認真的準備。8月4日，周恩來和朱德、博古、林伯渠、彭德懷、任弼時研究討論后，向中共中央提出了《關于全國對日抗戰及紅軍參戰問題的意見》和《關于紅軍主力出去抗戰的意見》。次日，張聞天、毛澤東復電指出，紅軍担負的是“獨立自主的游擊運動戰，鉗制敵人大部分，消滅敵人一部”，“在一定地區內協助正面友軍作戰”，遵循“按情況使用兵力的原則，在此原則下，承認開拔兵力”。可見，中共從一開始就沒有打算為抗日拼盡紅軍之全部力量，只是打算以游擊戰的方式牽制敵人，配合國軍正面戰場作戰。

隨后，周恩來和朱德等來到西安，并派人前往西安行營，與蔣鼎文交涉，要求釋放關押在西安的1000多名紅軍西路軍戰俘。當日，30多名西路軍干部獲釋，接著又有210余人得到釋放。8月9日，周恩來同朱德、葉劍英飛抵南京。在南京期間，他們活動頻繁，多次與馮玉祥、白崇禧、劉湘和龍云等會晤，處于秘密狀態的中國共產黨，在經歷十年風雨后，終于得以公開活動。

在國民政府軍政談話會上，周恩來再次闡明中共中央關于對日抗戰的方針意見，指出：當前戰爭中，必須培養出可以獨立持久的能力；在正面防御上，不可以停頓于一線及數線的陣地，而應當由陣地戰轉為平原與山地的擴大運動戰；另一方面，則要采取游擊戰。朱德也做了發言。雖然中共的意見獲得了與會者的好評，對于國民政府制定全國抗戰的戰略方針產生了積極的影響，但是，在討論國共合作的具體問題時，蔣介石卻仍然不依不饒，提出種種非議，對7月間就交予的《中共中央為公布國共合作宣言》一直不予發布。當周恩來重提此事時，蔣介石讓康澤出面對周恩來說，中共的宣言不宜提“民主”，應一律改為“民用”；要取消對民族、民權、民生的解釋；不同意提同國民黨獲得諒解而共赴國難等。

就在康澤與周恩來會談的第二天，“八一三”淞滬會戰爆發，戰火逐步向國民政府所在地南京蔓延（這部分內容我們在今后做詳細介紹）。面對日益危急的形勢，蔣介石不得不同意中共中央的條件，國共談判中久拖不決的問題終于得到落實。8月18日，蔣介石同意了紅軍改編和改編后的指揮機關及人事任命等問題。8月22日，南京政府正式發布了改編共軍文告：將中共領導下的紅軍改編為國民革命軍第八路軍，任命朱德、彭德懷為正副總指揮，葉劍英為參謀長，下轄三個師，林彪任115師師長，賀龍任120師師長，劉伯承任129師師長，兵力為四萬五千人，列入第二戰區，歸閻錫山指揮。9月22日，國民黨中央通訊社正式播發《中共中央為公布國共合作宣言》；23日，蔣介石發表講話，指出團結御侮的必要，承認了中共在全國的合法地位。至此，經過前后五次的談判（西安談判、西湖會談、兩次廬山談判和南京談判），國共第二次合作正式形成。

在南京談判中，周恩來多次強調八路軍可以充任戰略游擊支隊，在總的戰略方針下，進行獨立自主的游擊戰爭。最終，蔣介石、何應欽同意八路軍充任戰略游擊支隊，執行側面戰，協助友軍，擾亂與鉗制日軍大部并消滅一部分的作戰任務。自8月下旬起，八路軍三個師的主力陸續由韓城等處東渡黃河，經同蒲鐵路開赴抗日前線。

紅軍主力改編為八路軍后，周恩來開始考慮與蔣介石討論南方紅軍游擊隊的改編和中共合法機構的問題。何應欽代表蔣介石同周恩來具體商談，同意中共派人到南方各游擊區，傳達中共中央指示，并協助紅軍游擊隊改編為國民革命軍新編第四軍。10月12日，位于江南湘、贛、閩、粵、浙、鄂、豫、皖八省邊界地區的小股紅軍游擊隊和紅軍第28軍被改編為國民革命軍新編第四軍，亦即新四軍，葉挺出任軍長，項英為副軍長，兵力一萬兩千人，列入第三戰區，歸顧祝同指揮。

通過南京談判，國府允許中國共產黨在南京、上海等地設立中共代表團和八路軍辦事處；后來，又在武漢、長沙、蘭州等地設立中共代表團辦事處、八路軍辦事處、新四軍通訊處等。另外，在南京談判中，周恩來還強烈要求南京政府釋放被關押的共產黨員。8月18日，周恩來和葉劍英到首都反省院看望被捕的中共黨員，經過反復交涉，大批中共精英相繼獲釋。