两广事变解决后，南京政府在国内最大的敌人就剩下红军了。而红军三个方面军集中到甘北后，西渡黄河受挫，陷入到国民党军的重重包围之中。在蒋介石看来，只要再坚持“最后五分钟”，这个问题也就可以很容易地解决了。他敢于在11月坚持要发动绥远抗战，也在于此。殊不料，绥远抗战进行不下去，担负着西北主要“剿共”任务的张学良和东北军却发生了动摇。
张学良公开对蒋表明不愿“剿共”，主要是因为他自9月以来，一直试图想要劝蒋和共，结果屡碰钉子。而蒋必欲彻底消灭红军，这让张极其为难。红军宁夏战役失利后，其主力有打出陕甘、再度长征的计划，这更让张焦虑。据张回忆：当他从洛阳回到西安时，心情十分懊丧，曾问计于杨虎城。杨反问张是否真有抗日决心，如有，何不等蒋介石来西安时，行挟天子以令诸侯之事？张此时对杨虎城之计策未必以为然，却不能不急谋解决之法，因此，绥远抗战一爆发，张学良马上有了借口，要求调东北军北上绥远参加抗战。11月27日，他正式上书蒋介石：“今绥东事既起，正良执殳前驱，为国效死之时矣。日夕磨砺，惟望大命朝临，三军即可夕发……彼大军调赴前方者，或已成行，或已达到；而宠命迄未下逮于良，绕室彷徨，至深焦悚……就驭下言，若非及时调动，则良昔日之以时机未至慰抑众情者，今亦疑为曲解，万一因不谅于良，进而有不明钧意之处，则此后之统率驭使，必增困难，盖用众贵有诚信，应战在不失时机。”
就在张学良为“援绥之军，未派有东北军”而愤怒不已之际，张又得知蒋介石下令逮捕了上海救国会领袖沈钧儒、邹韬奋、章乃器、李公朴、王造时、沙千里和史良7人，宣布查封各种反对“剿共”和主张抗日统一战线的救亡报刊。此事更进一步激起张学良的不满。他为此不惜亲自驾机紧急飞往洛阳面见蒋介石，力陈爱国无罪的道理，要求蒋介石释放此七君子，同时再次当面请求蒋批准调东北军至绥远抗日前线。看来张学良行前已经做好了要与蒋争到底的准备，因为他在回复中共中央的电报时曾特别提到：从各方面看，一两个月内定有变动，红军只要能设法牵延，则西北之联军可成。
但张学良并没有能够说服蒋介石。他并不了解蒋介石在绥远抗战中受阎锡山等掣肘、左右为难的内情，原以为这一仗打起来，就没有那么容易停下来，因此他以绥远抗战打响后东北军军心动**、人人要求抗日、反对“剿共”来要挟蒋介石。不料，蒋却正好借坡下驴，转而把绥远抗战的指挥权丢给阎锡山，断然决定亲自“进驻西安，以资镇慑”。
1936年12月4日，蒋介石在张学良等人陪同下来到西安。紧接着被蒋介石电邀到西安来的还有军政部次长陈诚，豫鄂皖边区主任卫立煌，福州绥靖公署主任蒋鼎文，兰州绥靖公署主任朱绍良，豫皖边区绥靖公署主任陈继承，军事参议院议长陈调元，第25军军长万耀煌等重要军事将领。而陇海路上则是战车滚滚，蒋鼎文、樊崧甫、万耀煌、裴会昌等各部十几个师这时均受命西进。
蒋介石此次到陕西时已经做好了必要时撤换东北军的准备。但临阵换将为兵家大忌，故蒋始终还是希望软硬兼施，逼使张学良和东北军能坚持“最后五分钟”。其硬的一手就是到西安后，故意密嘱陕西省主席邵力子将“蒋委员长已派蒋鼎文为西北剿匪军前敌总司令，卫立煌为晋陕绥宁四省边区总指挥”的“消息”交《大公报》驻陕记者发表；而其软的一手就是频频召见东北军和第17路军的高级将领，晓以利害，并为之打气。
蒋介石到西安，必欲督师“剿共”，这使张学良进退两难。张学良要是听命于蒋，东北军各部与红军已有颇多合作，已难再开战，难免会因继续“通共”而被蒋手下的特务一一识破，进而遭其毒手。张若不听蒋令，东北军势将被调离陕甘。东北军调离后或许会因此得以保全，但张学良通过联俄联共推动抗日、尽快收复东北失地的愿望却将无从实现。而且东北军一旦被调离，一定远离抗日前线，东北军的将士自然更受刺激，部队也将更难统驭。为此，张学良不能不据理力争，甚至不惜哭谏。
据张学良回忆，蒋到西安后，他曾两次与蒋在华清池正式谈话，直至对蒋哭谏，劝其务必和共抗日，双方情绪都十分激动。特别是12月9日诤谏的结果，给张学良印象尤深，以致张学良于事变刚刚发生和事隔几十年之后，都在反复地公开强调这一次谈话给他的刺激。
这一次谈话发生在一次学生游行之后。这一天，也正好是1935年“一二·九”学生救亡运动发生一周年。西安学生借纪念北平学生“一二·九”运动一周年举行示威游行，向省政府和住在临潼的蒋介石请愿，要求实行抗日，竟遭警察开枪阻拦，伤学生一名。张学良得知后，急赴西安至临潼路上拦截劝阻。面对群情激昂的学生，想到远远近近的种种苦恼和愤懑，他可谓百感交集，以致当场发表演讲，明确表示他“决不做走狗或汉奸，誓死收复东北”。结果，“张与学生等声泪俱下”，学生大受感动，退回西安，没有引起更大的流血事件。凭借当时的气氛，张学良当晚再赴临潼面蒋，痛切陈词，不想，蒋介石却把他骂了一顿，说对学生就应该用机关枪打，这使张感情上异常冲动。几天后，张学良竟三次公开陈述当时的情况和他强烈的感受。他说：“学生走向临潼后，我不顾一切挺身而出，幸而把学生劝回来，而蒋委员长却怪我没有武力弹压，而且竟公开明说是他叫警察开枪，假如学生再向前进，他便下令用机关枪打！我们的机关枪是打中国人的吗？我们的机关枪是打学生的吗？蒋委员长有了以上……表示，杨主任，其他西北将领和我本人，就都断定了他的主张是绝不能轻易改变了。”
很明显，在这次谈话以后，张学良已经彻底对劝说蒋介石绝望了。就在第二天，张学良接到中共中央的电报。中共中央告诉张：“陈立夫第三次找（潘）汉年，谈红军留三万，服从南京，要我方让步，我们复称根本不同意蒋氏对外妥协对内苛求之政策，更根本拒绝其侮辱红军之态度。红军仅可在抗日救亡之前提下，承认改换抗日番号，划定抗日防地，服从抗日指挥，不能减少一兵一卒，并须扩充之。彼方如有诚意，须立即停战并退出苏区以外，静待谈判结果。”
在此，中共中央态度之强硬，显而易见。尽管事实上陈立夫这时在与潘汉年的谈判中已经从坚持要求收编转而同意进行改编，条件上作了相当的让步，但他仍然坚持要削减红军的人数。中共中央对此明确反对，坚持红军可以实行改编，惟利用红军目前困难处境，千方百计地削减红军，断难接受。如果蒋坚持这样做，那么，“我们愿以战争求和平，绝对不做无原则让步”。可以想见，这样一封态度强硬的电报，清楚地表明国共间的战争将必不可免地要继续下去。它显然也使张学良更进一步意识到国共已没有妥协的可能了。
在这种情况下，张学良不得不破釜沉舟，决心要按照杨虎城的办法来行事了。10日晚，张学良与杨虎城达成一致意见，并召集了东北军高级将领和主要行动负责人，开始具体部署行动计划，决定12日拂晓发动事变。
11日晚上，张学良、杨虎城特地举行宴会，招待来西安的国民党高官。不意，这一天张、杨又突然得到蒋介石的赴宴邀请，这不免使两人感到有些紧张。经过商量后，最后决定杨虎城、于学忠两人以西安有宴会脱不开身，不去临潼参加具有“商议进剿计划”内容的“行辕会餐”。只有张学良一个人去赴了蒋的宴会。
11日午夜过后，张学良、杨虎城分别做了动员，并指挥东北军和17路军有关各部，开始依照预定计划分别开赴指定位置，准备对临潼和西安市内各处规定目标发动袭击。在第二天凌晨6时规定的统一行动之前，张学良还亲自给中共中央发出了一封密电，内称：“蒋之反革命面目已毕现。吾等为中华民族及抗日前途利益计，不顾一切，今已将蒋及其重要将领陈诚、朱绍良、蒋鼎文、卫立煌等扣留，迫其释放爱国分子，改组联合政府。兄等有何高见，速复。”
12日凌晨，东北军外线部队乘车赶到灞桥以东和骊山附近，包围了华清池。6时许，内线部队卫队第1营一连迅速解除了驻在华清池外院禹王庙一排宪兵的武装，继之与白凤翔、刘桂五和卫队第2营先头部队一同冲入二道门，与守卫内院的蒋介石的卫队约30多人展开枪战。
据蒋介石自己记述，当时的情景是，当天“晨五时半，**运动毕，披衣起，忽闻大门前枪声，命侍卫往查。少顷第二枪声又起，遂连续不止，曰‘此东北军叛变也’”。而据蒋之侍卫翁自勉、施文彪等事后报告可知：凌晨6时左右，他们突然听到大门口有汽车开动声，几秒钟后即听到枪声，竺侍卫官即派蒋尧祥去探，翁自勉移至委座卧室门口，并叫隔房的副官蒋孝镇起来。当时蒋介石在屋里问翁，外面什么事情？翁答已派人去看了。隔两分钟左右，听蒋尧祥叫痛声，翁知有变，赶到贵妃池转弯处隐身向发声处看去，见蒋尧祥卧地叫痛，敌人八九人持枪想向上冲。翁随即报告竺侍卫官敌人所在地，竺侍卫官和施文彪等当即向东北军开枪，见敌稍退，竺遂大叫“快请先生起来！”蒋这时已起床而出。施文彪当即与竺侍卫官等扶护蒋到东侧门飞虹桥东北角围墙后门处，连抱带举地将蒋托至墙头而出。当时蒋“下穿单裤，赤足无鞋”，蒋孝镇脱下自己的鞋子给蒋穿上。然后蒋与护卫人员攀爬匍匐而上骊山，约1小时将及山顶时，四周又突然枪声大作，弹如雨下，护卫人员多被敌弹所中。蒋就地卧倒而滚，蒋孝镇与翁自勉也随之而下。这时，“天正黎明，晨光微熹”。蒋钻入一块大石头下面的土洞中躲伏。及至黎明，东北军愈来愈多，遍山搜索，约9时许始将蒋搜到，当即劫下山，上车而去。
至此，西安事变大功告成。除蒋介石、陈诚、朱绍良、蒋鼎文等国民党中央军政高级官员被扣押以外，仅蒋孝先、邵元冲及宪兵一团长被打死，钱大钧受伤，西安警察局长马志超潜逃，蒋之卫士死亡20多人，其余城防之宪兵警察和一部分中央军被缴械，西安城内没有更大的冲突。张学良、杨虎城在当天就此一事变公开说明了他们的态度，并且明确提出了8项政治主张：
（一）改组南京政府，容纳各党各派，共同负责救国。
（二）停止一切内战。
（三）立即释放上海被捕之爱国领袖。
（四）释放全国一切政治犯。
（五）开放民众爱国运动。
（六）保障人民集会结社一切政治自由。
（七）确实遵行总理遗嘱。
（八）立即召开救国会议。
西安事变的发生，蒋介石等被扣，最为振奋的自然是共产党人。在最终证实了这一意外的惊喜之后，军事形势极度紧张的保安都沸腾了起来。中共中央12日当晚24时兴奋地通知共产国际执委会书记处："A.张学良确已将蒋介石扣留在西安。B.叶剑英、王稼祥已去西安，周恩来亦立即前去。C.我们的计划：（1）周恩来、张学良、杨虎城组织三人委员会，以叶剑英为参谋长主持工作。（2）在西安召集抗日救国代表大会，准备半个月内召开会议。（3）组织抗日联军，以红军、东北军、十七路军、晋绥军四支军队为主，争取陈诚领导蒋系军队加入其中，抵抗日本之可能的进攻。（4）以林森、孙科、冯玉祥、宋子文、于右任、孔祥熙、陈立夫等暂时主持南京政府，防止和抵抗亲日派勾结日本进攻上海与南京，准备成立革命的国防政府。（5）争取蒋介石全部军队。D.请你们支持我们的上述行动，特别是：（1）在世界舆论方面援助我们；（2）争取英、法、美三国赞助中国革命政府与革命的军队；（3）苏联积极援助中国。”
与此同时，中共中央指示北方局等各地党组织，要求它们全力展开争取南京及各地方实力派支持西安事变的宣传工作，包括：“（1）揭发蒋介石对外投降、对内镇压民众与强迫其部下坚持内战之罪状，拥护张、杨等之革命行动。（2）号召人民起来，要求张、杨、南京及各实力派，立即召集抗日救亡代表大会，在西安开会讨论抗日救亡大计。（3）号召人民及全国军队，积极注意日本与汉奸之行动，防止并准备抵抗他们趁机侵犯上海、南京、青岛、华北与晋绥。（4）推动南京及各地政权中之抗日派，响应西安起义，并严重对付亲日派。（5）稳定CC派、黄埔派，推动欧美派、元老派及各实力派，积极站在抗日救亡方面。（6）号召人民及救亡领袖，要求南京明令罢免蒋介石，并交人民审判。（7）推动宋子文、孙科、孔祥熙、蔡元培、李石曾等，争取英、美、法三国谅解与赞助。”
13日上午，中共中央在保安的领导人召开了政治局扩大会议。毛泽东在报告中明确肯定西安事变是有革命意义的，是抗日反卖国贼的，它的行动和纲领都是积极的，把我们从牢狱之灾中解放了出来，是有历史功绩的，应该拥护。“在我们的观点，把蒋除掉，无论在哪方面都有好处。”目前应该以西安为中心来领导全国，控制南京。至于要不要在西安成立全国性的政府，会上明显地存在着不同的意见。周恩来主张，在政治上不宜采取与南京对立的形式，可以考虑在西安召开抗日救亡代表大会和成立抗日援绥委员会，将来西安可以陪都的形式出现。张闻天更明确认为：我们不采取与南京对立方针，不组织与南京对立方式（实际是政权形式）的组织，还是应当尽量争取以南京政府为正统，当然南京政府必须改组。而张国焘则认为，“我们说到要以西安为中心，就包含了以西安为政权中心的意义”。张还说，西安事变的实质，“第一是抗日，第二是反蒋。在反蒋问题上对南京方面就应考虑一下，张学良提出改组南京政府，各党各派共同负责，我们的态度亦须表示。再在反对独裁上，亦要联系到南京政府存在问题”。他并且指出：“内乱问题是不是可免？还是不可免的，只是大小的问题……因此，打倒南京政府，建立抗日政府，应该讨论怎样来实现。”但博古坚持：共产国际指示全国抗日一定要争取蒋介石部队的大部甚至全部，我们现在不能变更这一策略，对西安事变，只应看成是抗日的旗帜，不好看成是反蒋的旗帜。然而，既然蒋介石是联共抗日和改组政府的关键障碍，难道除了除掉蒋以外还有其他的解决办法？而一旦除掉蒋介石，那个取消了蒋介石地位的南京正统和南京中心是否还能存在呢？因此，毛泽东总结说：目前对于这一事变的处理，最后恐怕只能是“又要反蒋又不反蒋”，结果在政府问题上也是“又要政府又不要政府”，话都不好说得太绝对了。会议决定的基本方针是：以坚持争取南京政府及各派赞助西安事变的前提下，要求罢免蒋介石，交付人民公审。
面对西安事变，南京方面的反应也很迅速。12日当晚，南京国民党中央常务委员会和政治委员会举行了紧急的临时联席会议，通过了两项强硬的决议，决定“褫夺张学良本兼各职，交军事委员会严办”，而“关于指挥调动军队归军事委员会常务委员兼军政部部长何应钦负责”。随后，何应钦公开就任讨逆军总司令，调动大军向西安大举推进，并动用大批飞机轮番轰炸潼关至西安线上的渭南县城和赤水车站等，毁房无数，炸死军民数以百计。张学良、杨虎城不得不将孙蔚如、冯钦哉、董英斌、刘多荃等部迅速集中到西安一带，准备作战，并请红军主力一面监视胡宗南、毛炳文各部中央军，同时抽一部速往延安、甘泉接防。红军、东北军、17路军军事上三位一体的局面由此形成。
一方面军事形势异常严峻，另一方面无论是张学良、杨虎城，还是中共中央，都很快发现自己对西安事变可能引起的反响的估计太过乐观。注意到国内国际舆论，包括苏联公开的舆论大多同情南京和蒋介石，中共中央已经意识到必须在公开场合保持第三者姿态，以便于居中调停，争取和平解决。17日，张学良用飞机将周恩来接到西安，双方除具体讨论了军事合作的问题外，着重讨论了与南京方面接触和商谈的条件问题。张学良明确表示，只要蒋介石放弃过去的主张，毅然主持抗日工作，他便马上绝对拥护蒋，服从蒋；即使为此要受惩处，他也绝对坦然接受。
事实上，张学良从事变之日起，就做着两手准备。以蒋介石的性格、地位和声望，他当然知道靠武力强迫与威逼，多半不会达到使蒋介石改变“剿共”政策的目的，因此他要做联俄联共、与南京翻脸的准备，为此也不能不接受中共所提出的迫不得已时对蒋“取最后手段”的意见。但与此同时，他也始终不曾放弃用兵谏的办法逼迫蒋介石屈服的设想。因此，从事变之日起，他就再三公开说明，扣蒋纯为抗日计，为国家计，因用口头或书面的劝谏都达不到效果，只好“请介公暂留西安，以得觉悟”。只要蒋接受其抗日主张，他愿束身待罪送蒋回京。
十分明显，从前一手准备的角度，张学良不能不高度重视苏联方面对事变的反应。在得知苏联报纸公开批评事变之后，他曾于17日专门打电报给毛泽东，询问“国际对西安一二一二（12月12日——引者注）革命有何批评”？而毛泽东同样也了解到莫斯科的公开表态，但因尚未收到共产国际的回电，因此其复电也只是劝慰张不要太在意苏联报纸的公开言论，说：“我们对远方政府已作几个报告，尚无回报。兄令刘鼎将每日民众运动情形电告一次，若远方知此次事变及事变后之进展不是单纯军事行动，而是与民众联系的，估计当寄以同情。惟远方政府目前为应付外交，或尚不能公开赞助我们。”
张学良当然了解苏联政府与共产国际一体两面的性质，知道不能简单地将苏联报刊的言论同其内部的方针混为一谈。但是，当21日张学良最终得到了他期盼已久的共产国际的电报之后，他显然也已经清楚，苏联和共产国际所希望的具体解决方式是什么了。共产国际总书记季米特洛夫在给中共中央的电报中提出：“既然发动已成为事实，当然应当顾及实际的事实，中国共产党应在下列条件基础上坚决主张用和平方法解决这一冲突。（甲）用吸收几个反日运动的代表，即赞成中国统一和独立的分子参加政府的方法来改组政府；（乙）保障人民的民主权利；（丙）停止消灭红军的政策，并与红军联合抗日；（丁）与同情中国人民反抗日本进攻的国家建立合作关系，但不要提联合苏联的口号。”
事实上，12月19日以后，中共中央对事变的态度也发生了很大的改变。在大致上了解到苏联方面的态度后，中共中央在这一天紧急召开了新的政治局扩大会议，进一步讨论了对于西安事变的方针问题。与会者一致承认，事变发生后没有估计到南京方面以及各地方实力派中会“盲目的拥护蒋个人而不问抗日”，以致大家看不到西安事变要求抗日的性质，只是一味的拥蒋，这不可避免地会促成大规模的内战。鉴于此，张闻天明确指出：13日政治局会议所定的方针有问题，“对于要求把蒋介石交人民公审的口号是不妥的”。在第二天得到共产国际的电报之后，中共中央第一次针对西安事变作出了带有批评性的指示。指示在肯定要给西安以同情，给张、杨以援助的同时，批评事变因为“采取了多少军事阴谋的方式，扣留了南京最高负责人蒋介石及其主要将领，以致把南京置于西安的敌对地位，而造成了对于中国民族极端危险的新的大规模内战的可能”，“妨害了全国反日力量的团结”。
就在中共中央调整其政策的时候，蒋介石的姻亲宋子文也从南京飞至西安，进行调停。宋子文的到来，使剑拔弩张的军事形势出现了一线转机。蒋介石已不再完全拒绝接受张、杨的八项主张，同意将这些主张交他提交国民党五届三中全会。这意味着，蒋的态度已经有所松动。因此，宋子文马上返回南京，于22日陪同宋美龄又再度飞往西安，对蒋和张、杨双方做劝和工作。据周恩来电告中共中央称，经过宋子文、宋美龄等人的劝说，蒋已同意由宋子文出面代表他同张学良、杨虎城和周恩来进行谈判。
23日，双方开始谈判。西安方面在参考了中共中央的意见之后，提出了六项新的条件，即：（1）停战、撤兵至潼关外。（2）改组南京政府，排除亲日派，加入抗日分子。（3）释放政治犯，保障民主权利。（4）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”）。（5）召开各党各派各界各军救国会议。（6）与同情抗日国家合作。对此，宋子文次日答复张学良称：他可以保证，西安方面的六项条件均可得到满足。25日上午，周恩来、张学良、杨虎城再度与宋子文、宋美龄进行了商谈。据周恩来总结谈判结果称，两宋答应：（1）孔祥熙、宋子文组行政院，宋负绝对责任，保证组织满意政府，肃清亲日派。（2）撤兵及调胡宗南等中央军离西北，两宋负绝对责任。（3）蒋允许归后释放爱国领袖。（4）目前苏维埃、红军仍旧存在，两宋担保蒋停止“剿共”，并可经张学良给予接济。3个月后抗战发动时，红军再改番号，统一指挥，联合行动。（5）宋表示不开国民代表大会，先开国民党会，开放政权，然后再召集各党各派救国会议。蒋表示3个月后改组国民党。（6）宋答应一切政治犯分批释放。（7）发动抗战，共产党公开活动。（8）外交上联俄并与英、美、法联络。
在谈判取得成果之后，周恩来在张学良的引导下见了蒋介石。蒋因事变当天翻墙落地伤了脊柱病卧在床，双方谈话简单。蒋表示：今后停止“剿共”，联红抗日，统一中国，受他指挥。
25日下午，张学良为实践自己的诺言，亲自送蒋介石等飞往洛阳，然后转去南京。