1936年12月25日下午4时，蒋介石、宋美龄、宋子文等在张学良的陪同下，飞往洛阳。为实践自己关于“介公果能积极实行抗日，则良等束身归罪，亦所乐为”的公开承诺，张学良于26日一到南京，就正式致函蒋介石，表示此次“随节来京，是以至诚，愿领受钧座之责罚，处以应得之罪，振纪纲，警将来，凡有利于吾国者，学良万死不辞”。31日，张学良被交付南京政府军委会高等军法会审庭会审。他当堂解释自己的行为：“我们痛切的难过国土年年失却，汉奸日日增加，而爱国之士所受之压迫反过于汉奸，事实如殷汝耕同沈钧儒相比如何乎？”我们不断地将我们的意见报告给蒋委员长，一切都出于正当的爱国的目的，但我们无法劝说蒋委员长改变此种政策，甚至蒋委员长还命令警察向爱国学生开枪，所以不得不“用此手段以要求领袖容纳我的主张”；要知道，“如果我们有别的方法达到我们的希望，也就不做此事了”，问题是没有别的方法。张学良特别强调指出，他至今不认为自己这样做有什么不对。他声称：除了对自己违反纪律、损害领袖尊严表示承认并愿意领罪外，“我们的主张，我不觉得是错误的”。他甚至再度表示，他的目的就是要根本变革现在的南京政府，就是当老百姓，他这种革命的信念也不会改变。张学良虽被判处10年徒刑，蒋介石仍十分恼火，以至在日记中痛斥张：“可痛之至！”
既然事变是必要的，政治主张是正确的，张学良当然不认为自己结束事变是出于一种对错误的忏悔。恰恰相反，张学良在期待着，他相信他已经通过事变成功地改变了蒋介石的政策，希望看到蒋介石能够实践允诺，具体施行新政策。在到南京的第二天，即27日晚上，他就当面要求蒋介石实现诺言，改组政府。他告诉杨虎城说，对在西安“所允吾等者，委座再三郑重告弟，必使实现，以重信义”。然而，事实上蒋介石对张的要求非常不快。他在当天的日记里写道：“彼犹欲强余实行改组政府，毫无悔祸之心。”
对于蒋介石在西安的承诺，最担心蒋不践诺的还是西安方面。张学良送蒋走之后的第二天，杨虎城就找到周恩来，提出应该将蒋之承诺公之于众。31日，南京政府判决张10年徒刑。周恩来为此将几次谈判中宋子文代蒋承诺的结果归纳为五条：
（子）停战撤兵，西北军事归张、杨主持。
（丑）改组南京政府。
（寅）联合各党各派抗日，停止“剿共”。
（卯）释放爱国领袖，保障民主。
（辰）改变外交方针，联合同情中国民族解放的国家。
但是，无论是杨虎城，还是这时尚在保安的中共中央，都根据自己的理解对上述5条做了增删。27日，西安《解放日报》公布的条件已成为6条，即将“停战撤兵，西北军事归张、杨主持”改为“撤兵”、“停战”、“西北归张、杨主持”共3条，取消了“联合各党各派抗日”、“停止‘剿共’”、“保障民主”等内容，在改组政府和停止内战的条款内加入了“集中国力、一致对外、集中各方人才、容纳抗日主张”的内容。而毛泽东于28日公开发表的条件中，则没有“停战撤兵”及“西北军事归张、杨主持”的内容，“改组南京政府”一项变成了“改组国民党与国民政府，驱逐亲日派，容纳抗日分子”；“联合各党各派”一项变成了“召集各党各派各界各军的救国会议，决定抗日救亡方针”；停止“剿共”的内容单独成为一条，即“停止‘剿共’政策，联合红军抗日”；“释放爱国领袖”项内，又增加了“释放一切政治犯”的内容。
匆忙公布蒋介石所谓承诺的不利后果几乎立即就表现出来了。在上海的潘汉年很快来电：宋子文曾专门告诉他，“蒋宋责备我们宣布西安协定无信义”。宋子文和宋美龄甚至为此大发脾气。他们要宋庆龄转告中共代表：第一，西安不顾信义，宣布秘密承诺，已使他们难以出面说项；第二，无论如何不得再宣布他们的谈话内容，否则他们将退出调停工作；第三，如今改组等事已相当难以进行，必须待以时日，须秘密策动英、美两国舆论酝酿时局。正因为如此，共产国际也很快来电批评中共中央，声称“不要老是叫喊蒋介石在西安做出了什么保证”。因此，中共中央也很快意识到，自己过早地公开蒋介石的承诺，在策略上是不妥的，它不仅不能督促与逼迫蒋介石就范，而且强化了蒋介石必欲彻底解决西北问题的态度。
西安和保安刚一公布蒋介石的所谓承诺，蒋即在南京召开国民党中央常委谈话会，提出“不能令张学良再回西北”。这一建议虽然遭到宋子文的反对，但在29日，蒋介石在反复考虑之后，还是决定“不准张学良再回陕北，而保其生命”。与此同时，蒋决心不顾撤兵承诺，“缓撤西北及潼关部队”。他明确提出：“如果放弃西北，任其赤化，不惟国防失一根据，十年建设成绩毁于一旦，而且中华民族发祥之地陷于永劫不复矣！”
30日，蒋介石决定了处置张、杨的具体办法，但为安抚宋子文，仍去函表示，审判张学良乃必要之惩诫，新年一过，“三两日内必为办到特赦，并仍令其立功自救”，劝其“不必愤慨”。对此，宋子文也只好接受，但相信“君无戏言”，相信他说到做到。宋一边给蒋去函称“此项办法虽事前未蒙预示，而弟相信吾兄必能为之办到”，一边特地到张学良住处，向愤愤不平的张学良再度许愿。殊不知，蒋其实不过是要把张学良的10年徒刑变为无限期软禁而已，丝毫没有“令其立功自救”的想法。不仅如此，蒋介石事实上已经确定了要彻底瓦解西北“三位一体”的方针。只是鉴于现实，不得不决定善后方案要“政治为主，军事为从”罢了。
对于这一形势变化，中共和西安方面也开始渐渐地感觉到了。31日，他们已经得到张学良从南京送来的亲笔信，知道南京形势十分复杂。随后，张学良被判刑、南京有意以王树常取代张学良、何应钦电示中央军秘密向陕西推进等消息陆续传来，西安的气氛很快紧张起来。毛泽东一面去电潘汉年，要他立即同陈立夫接洽，从中调和；一面告诫周恩来等，速谋张、杨、我三军之团结，力保西安胜利的前提下，亦应做好以防不测的军事准备。
1937年1月3日，南京方面用电话通知西安杨虎城等，南京政府准备给杨以革职留任的处分，另以孙蔚如代理陕西省主席，王树常为甘肃绥靖主任，要求东北军及第17路军将领发通电表示拥护。4日，南京方面再度用电话通知杨虎城：中央已决定派顾祝同任西安行营主任驻陕，并要求东北军立即恢复西安事变以前的位置，17路军主力立即开回陕北。南京此举显然意在逐步控制西安及其东西大道，进而拆散西北“三位一体”，否定西北特殊地位。这自然与张学良转达的蒋24日关于“西北军事归张、杨主持”的承诺完全背道而驰，也与25日两宋保证的“调胡宗南等中央军离西北”的条件不相符合。西安方面，特别是杨虎城和诸多东北军少壮派军官，最为担心的就是蒋介石报复。南京如此善后，无疑使他们深感不安，必欲抵抗。杨虎城在内部明确讲：“为自卫计，为贯彻主张计，誓必与之周旋到底。”他同时电告宋子文：“我兄前电曾谓汉公可于五日离京返陕，现此间一切亟待主持，汉公一日不返，则军民一日不安。”
1月4日是南京方面准备宣布对张学良予以特赦的日子。但就在这一天，西安方面却已经断定：“宁方今日如特赦，必留其在京，以促此间分化而便（于）用兵。”因此，周恩来、叶剑英、杨虎城、王以哲、何柱国、董英斌等当天不等南京的特赦消息，即开会详细讨论了作战问题，拟定了具体的作战计划。他们估计：南京中央军正在调集25个师以上的兵力，组成14个纵队，准备向西北抗日联军（东北军、第17路军和红军）发动进攻，故西北抗日联军万不得已时应以一部箝制胡宗南、关麟征、毛炳文集团，集中主力首先消灭由潼关西进之敌，制止其进攻。具体计划：东线从渭南赤水至长安构筑7道防线，配置6个师的兵力巩固正面；同时集结步兵3个师以上及骑兵2个师于渭北，准备向南实施坚决突击，歼敌于渭河以北黄河以西。为此目的，渭河以南的蓝田、商县一带，以一部兵力依托秦岭，以运动战与游击战迟阻北来之李默庵纵队。红军主力秘密集结于淳化、栒邑（今旬邑）地区，准备以3天行程，经三原赶到高陵的机动位置，依情况参加渭北决战，或经蓝田突击李默庵纵队，然后以主力向潼关迂回。西线，主要以王以哲和于学忠两部对胡宗南东西两侧形成威胁，红军一部尾随胡敌，箝制之。北线，则主要以孙蔚如部警戒洛川、三原一线，红军一部警戒瓦窑堡、清涧一线。会议并且决定，由张学良、杨虎城和周恩来组成秘密的三人团，以为领导核心（张学良未归时由何柱国或王以哲代），张学良为总指挥，目前则根据张去南京前的手令，由杨虎城统一指挥。
1月4日以后，张学良回陕明显地成为不可能的事情了。南京政府在这一天根据蒋介石的旨意，一方面批准特赦张学良所处10年徒刑，一方面又下令将张“交军事委员会严加管束”。交军委会，实际上也就是由蒋介石处置了。蒋并有电报给顾祝同及刘峙等，提出：“对陕策略，应以政治为主，军事为从……又望以军事威胁为手段，而达到政治解决之目的。”蒋之对张难予谅解，并必欲借机控制西北，至此已昭然若揭。宋子文对此看来也毫无准备，其保证张学良回陕都不能做到，前此“保证组织满人意政府，肃清亲日派”云云，自然更是成为一厢情愿的白日梦。杨虎城和东北军将领恳求也好，威胁也好，结果如何，可想而知。
南京方面的这一处置进一步表明，蒋介石绝不打算将西北交给张学良和杨虎城，他不仅决心全面控制陕西及其贯穿陕甘两省主要交通线，将东北军置于甘北与中央军杂处，将第17路军置于陕北，使其夹在中央军与红军之间，并且再不准备让张学良回东北军。蒋介石明确告诉顾祝同，对杨虎城现在虽可暂取和平态度，但最终必须“根本解决”。电称：“如能用政治方法使我军能有一部和平进驻西安城，然后相机再用根本解决是为上策。其次使东北军能离陕入陇，‘赤匪’旁观中立，俾杨逆孤立心寒，然后攻之，亦不失为中策。望照此意运用进行。”
张学良注意到蒋介石和南京方面的强硬态度，为确保东北军自身的利益，对蒋介石决定将东北军调入甘肃的方案明确表示异议。他告诉负责监护他的戴笠：中央将东北军调往甘肃的办法事前未与他商量，西安方面闻此消息必发生战事，将来必有一半的力量归附共党，且中央令东北军恢复去年12月1日以前之防地，无异故意使之与红军打成一片。据此，他写信给蒋介石，提出甲、乙两种方案供蒋参考。甲案，在继续“剿共”的情况下，调东北军全部驻开封、洛阳或平汉线上，整理训练，担任国防工程，由他负责调出及整理。乙案，在不“剿共”的情况下，调杨虎城到甘肃，以何雪竹或刘经扶为西北行营主任，以庞炳勋、商震、萧之楚、万耀煌等军驻陕西，调东北军驻豫鄂一带整理训练，担任国防，由王树常负责，由本人帮助整理，此后自己愿去读书。
蒋介石对张学良所提乙案并不看好，他显然不想让东北军驻在过于靠近平汉路的湖北；即使东调，也希望将这不十分可靠的部队部署到较为偏僻的豫皖两省交界处。经他修改后的方案仍分甲、乙两案。甲案与前无太多变动，仍要东北军全部调驻甘肃，第17路军各部仍驻陕西原防，得酌留若干部队在西安，或将陕西绥靖公署移设三原。关键是自潼关至宝鸡沿铁路各县要归中央军驻扎，铁路线各县以外可由第17路军驻扎。乙案则东北军全部调驻豫皖两省，可先令由西荆公路集中南阳、襄樊、信阳一带。调杨虎城为甘肃省政府主席，仍兼第17路军总指挥，第17路军全部调驻甘肃。
尽管周恩来等早就估计到张学良不会被释放，但张学良被公开宣布严加管束后，东北军将领以及杨虎城等仍旧十分震惊。这时，蒋介石明告西安方面：中央不能无陕西以作国防之基础，不仅西安，整个陇海路均必须置中央管理之下。为此，南京军队大举西进，集结推进至潼关、华阴、华县一带。而宋子文也致电杨虎城，表示对前所承担的斡旋事宜难有所为，不得不即告退出。所有这些都使西北方面对和平日益感到绝望。
西安事变之后，西北三方始终在设法保持西北半独立的局面。特别是中共中央，事变后一直强调要通过“三位一体”的政治军事联盟，将西北控制在三方手中，造成西北半独立局面。在得知南京方面不仅坚持不放张学良回来，而且还要在西安设立行营，不顾前诺，坚持要派大批中央军进驻西北、从根本上控制西北交通要道之后，中共中央明确反对。它相信：“顾来则张、杨两部全被宰割，红军将被迫登山。”为此，中共中央专门致电潘汉年，要其务必告诉陈立夫等：“南京采取报复政策，不但于国民党及蒋氏的地位有损，且绝对无益于西北善后的解决……正当解决之先决办法是撤兵释张。现兵既复进，对张欲赦又拘，此适足激动西北之军心民心……如蒋氏及陈（立夫）、邓（文仪）、张（冲）等人仍维持西安商定之六个和平解决条件，便须立即撤兵，并立即释张。”与此同时，中共中央确信：“目前中心在坚决备战，拒顾（祝同）迎张（学良）。”中共方面这样一种态度，对西安其他两方自然有重要影响。
然而，东北军一向并不团结，张学良被扣，其内部的分化变得相当明显。除了已经公开倒向南京政府的部队以外，仍在东北军中的不少高级将领也都心存离意。肩负西安三方使命前往洛阳谈判的代表竟明确告诉顾祝同：东北军“对杨氏及赤匪均难信赖合作”，希望“另指驻防地点以便与共匪隔别”。他们以及57军的参谋长甚至暗中给南京方面出主意：张学良离陕时曾留手令，要东北军听命于杨虎城，因此目前情况下“万不可给张回来”。他们甚至一面令张多写信劝团以上军官接受中央处置，一面“以兵力压迫东北军，但不可开火”，说“如此做法该军即可就范”。
这时真正希望张学良回来的，除了王以哲等少数高级将领以外，还有东北军的中下级军官，特别是原东北军同志会中那些最受张学良信任的激进的少壮派军官。他们，包括在前线的一批旅、团、营级的干部，多半情绪激昂，求战心切。但周恩来看得清楚，此时“十七路军士气不旺，战斗力弱”，“不能用于攻，尤怕飞机”，故“不能用之主要方面”；“东北军师团级将领情绪甚高，急愿一战”，士气甚旺，但“只能胜不能败，只能进不能退”，且也是“能守不能攻”，野战能力不强。在这种情况下，无论是东北军还是第17路军，对红军到来都极其欢迎，并抱以极大期望，以致“两方都有依赖红军心理，对万一西安不守，他们不愿设想”。在这种情况下，几万红军的责任就变得异常重大。
就在西安方面和南京方面关系日渐紧张的关键时刻，9日，蒋介石有电报给杨虎城，明确保证他将贯彻和平之宗旨，决不致有战争行动，且军事善后办法仍可与顾祝同详加商讨，要求杨虎城务必约束西北之部队，保持冷静态度，不做轻率表示。7日，前东北教育会会长王化一和同为东北人的国民党监察委员吴翰涛携张学良给杨虎城及东北军各将领的信，飞抵西安，要求西安方面务必坚持和平。同时，潘汉年也与国民党谈判代表张冲同到潼关，说明苏联大使急望我们和平解决与南京方面的关系问题，而蒋也表示“同我方谈判根据与周所谈基础续谈下去，并要周到奉化密谈”。鉴于这种情况，中共中央开始转而建议周恩来等在西安“只在幕后团结东北军及十七路军”，不要太露头角，强调杨虎城及东北军将领的通电务必说明拥蒋真意，甚至要求西安的报刊宣传不要过于尖锐。不过中共依旧坚持，西北善后“须在下列条件之下：（一）立即撤兵；（二）立即释放张学良回陕；（三）保证西安协定之实行”，并拒绝派周恩来去南京，担心周会成为张学良第二。
据此，周恩来于11日专门致函蒋介石，请蒋“力排众议，坚持前令，尽撤入陕之兵，立释汉卿先生回西北主持”，声明如此“则内战可弥，和平可坚，一切人事组织、政府主张、抗战筹备均将循先生预定之方针前进，统一御侮大业必可速就”。值得注意的是，在周给蒋的信中，虽对撤兵、释张有明确的主张，但对于较为困难的改组政府问题没有提出特别的要求。
12日，杨虎城派赴奉化见蒋陈述西安方面意见的李志刚飞回西安，带回蒋介石10日手书一封。内称：对于张学良，“稍假时日，必为之设法，使仍有效力革命之机会，以无负其爱国之苦心”，同时重申其和平解决西北问题的宗旨，强调“中央处置陕甘，亦必以政治建设为主，绝不致引起战事”。他又强调：“须知陕西，无论军民，不能离整个国家而存在，中央更不能无陕西以作国防之基础；中央离陕西无以建国，陕西离中央无以遂其生存与发展。故必须立下决心，向和平统一之方向做去，迅复事变以前之常态，确立此后努力之始基。”
15日，杨虎城派往南京的代表之一米春霖从奉化返回西安，进一步带来蒋介石和张学良的亲笔函，以及经过蒋介石修改认定的甲、乙两案。蒋介石在信中明确表示，张学良此时“为国为友为私为公计，皆无回陕之理”，要西安方面“勿再以此为言”。对此，西安三方均明确表示不能接受。根据周恩来的提议，杨虎城、于学忠等同意于16日首先通电取消一切临时组织，接受南京革职留任的处分，同时坚决拒绝乙案，基本接受甲案，但提出对甲案必须做部分修改。随后奉命派往奉化的鲍文樾、李志刚等带去的解决方案，仍与前此方案没有多少区别，对张学良的意见也未做任何考虑，只是在具体内容和谈判目的上，增加了关于要中央军退出甘肃、让东北军前伸至咸阳，并允许东北军和第17路军各一部留驻西安的要求。
16日，西安方面基于上述承诺正式做出了妥协的姿态。杨虎城等通电就职，并宣布取消一切西安事变期间成立的临时性组织，同意不再要求蒋介石兑现事变期间的承诺，将自己在西安事变中提出的各项政治主张提交国民党五届三中全会讨论，对西北善后也只集中于要求南京释放张学良与合理地安排防区分配问题。但问题是，蒋介石的来信已经十分清楚地表明，放张学良几乎是不可能的。坚持这样的条件，就等于还是要打仗。当晚，周恩来和博古联名致电中共中央，要求后者就下列问题作出决定：（1）如蒋对防区让步，但坚决不放张，是否决心打？（2）如蒋对防区让步，允许张在三中全会后任事，是否接受？中共中央对此的看法颇为乐观。中共中央复电称：“杨、于就职后，南京更加无名，条件略高无妨碍，并可为尔后留出再让一步之余地。”目前内战对蒋系不利，和平解决趋势已渐明显，因此，要求张回陕西和要求陕甘防区保持现状不大变，此二者“目前不应让步，在力求和平的总方针下，争此二者之实现，这种可能是存在的”。
鉴于西安方面坚持要求张回，张学良深恐因此发生冲突，故于19日直截了当地写信给杨虎城，告诫他：“目下最要者，能本上次瑞峰（即米春霖）带去之甲项办法立即行之，以免夜长梦多……关于弟个人出处问题，在陕甘未解决前是不便谈起，断不可以为解决当前问题之焦点。”与此同时，他深信必须要动员东北军将领单独行动，以免因杨虎城等坚持己见对自己和东北军更加不利。他密嘱前来奉化转达西安方面意见的鲍文樾，要东北军将领传达他的命令，迅速照甲案在22-25日完成移动。
20日，西安方面再度面临重要关头。当天，杨虎城接到蒋介石的来函，发现蒋的态度已极不耐烦，声称25日12时以前务必照中央命令做出答复，否则战争将不可避免。
蒋介石的强硬态度，激起东北军和第17路军中激进年轻军官的强烈不满，杨虎城担心让步后西北被分化，也有战意。周恩来对此也左右为难。他告诉中共中央说：在这种情况下，假如接受蒋介石的条件，东北军和第17路军中之左派势力将铤而走险，而右倾者必将倒向蒋介石一边，如此我们将失尽同情者，亦无法掌握其军队。如拒不接受，则只有打仗，打则只能胜不能败，然而胜的把握很少，各方响应者更少。一旦失败，东北军和第17路军仍将分化，到头来我们也只能得到少量军队而已。因此，权衡利弊，他相信目前最好在原则上接受蒋之甲案，力争第17路军驻西安及东北军能驻咸阳以西，同时拖延时日，做好战斗准备。
根据周恩来的建议，西安三方决定派李志刚飞奉化见蒋，表示原则接受甲案，并放弃张学良必须回陕的要求，但希望蒋同意：（1）中央军暂退华阴，以便部队运动；（2）潼关至宝鸡不驻多兵；（3）东北军留一小部在西安，以保护3万多东北军人家属；（4）张如难返陕，请给予名义；（5）第17路军留1个师在西安；（6）红军问题可照蒋意见办理。
22日，西安方面从电话中得知，顾祝同表示，西安所提六项条件，原则上可以作为进一步商谈的基础，并要西安尽快派人去潼关讨论。这对西安方面至少在精神上不失为一种安慰。但杨虎城对此仍有所担心，“恐和平解决后队伍分化愈烈，统率愈难”，而东北军同志会左派军官也仍旧态度强硬，反对妥协。周恩来等不得不尽力做说服工作，促使杨虎城同意派米春霖等迅速前往潼关与顾祝同进行谈判。
25日，米春霖等赴潼关谈判。顾祝同、陈诚、卫立煌同意：（1）中央军暂留原阵地，西北联军先一天撤退后，中央军次日进驻西安至咸阳线；（2）张学良出处问题在行营进驻西安前由蒋给予名义，否则行营进西安后，由顾祝同负责呈请解决；（3）西兰公路咸阳至邠州道上东北军可驻3个团，西安可驻第17路军1个旅；（4）陕南红军同时撤往陕北，接济问题暂由杨虎城负责；（5）善后费600万元，暂发1个月薪饷，余待蒋核准。
至此，西北善后大局已定。中共中央于1月27日晚作出决定：全力说服左派实行撤兵，“对南京让步”。
但是，要说服东北军和杨虎城让步也并不容易。26日，西安与潼关谈判的代表仍坚持：（1）首先给张学良名义；（2）中央军离开甘肃，至少天水以西不驻兵；（3）红军一部驻陕南；（4）第17路军在西安驻2个旅。顾祝同开始时同意：（1）给张名义问题撤退后即可照办；（2）中央军原驻陕甘14个师，可调30个团出甘，但必须驻天水，宝鸡至西安线至少驻10个团；（3）红军不能驻陕南；（4）第17路军只能在西安驻1个旅。但蒋介石得知后很快否定了关于张学良一条，强调恢复张学良公权，须国府委员会决定，西北问题未解决之前，事实上不能为之呈请。蒋说：“彼方如相信我，即应完全相信，如不能相信，则不必再谈。”面对这种情况，西安方面决策层内部意见严重分歧。没有哪一个人能够出面承担放弃为张学良争取自由的责任。东北军中下级军官几乎一致强烈反对，非要南京对张学良回陕作出明确担保不可；而此前倾向于妥协的东北军将领，这时也变得犹豫畏缩起来，王以哲、鲍文樾称病不出，何柱国虽有意谈判，却无法做主，且部队根本不能掌握。与此同时，杨虎城也担心继续妥协内部将更加动摇，更便利蒋介石采用分化政策。
26日傍晚7时，蒋介石下令次日正午东北军再不接受条件开始撤退，就宣告和平破裂，立即开始轰炸东北军前线各战略目标。顾祝同据此通过电话正式通知了西安方面。周恩来明确提议：（1）接受蒋之甲案；（2）妥协达成后要求允许张学良随顾祝同来陕一行；（3）推王以哲为甘肃省主席。然而，杨虎城当晚在他家召开的高层会议上，坚持认为南京方面“毫无诚意”，对蒋介石施加战争威胁相当反感。参加会议的东北军将领除王以哲、鲍文樾主和外，其他人态度相当含混。开始在另外一处开会的师、旅、团级军官20余人当晚转来杨家开会后，激烈主张：“非张回陕不能撤兵，否则宁为玉碎不为瓦全。”结果，会议争论不休，虽经周恩来反复劝说，亦不见效果。包括杨虎城在内，多数将领同意：（1）接受甲案，但部队撤退请宽限10天；（2）部队移动应在张学良回陕训话之后；（3）三中全会前即给张名义，并允许其出席三中全会说明政治主张。虽然最终达成了上述意见，但左派军官仍坚决反对，并且开始打电话给前线的军官进行鼓动，内部更加混乱。
27日凌晨5时左右，何柱国代表西安方面打电话将头天晚上达成的三点意见通知了顾祝同，但顾祝同明确表示不能接受。何柱国不得已再与各方商量，但众人多半反对再作妥协，谈判因此陷入了僵局。好在这一天一早，张学良借用南京方面的电台紧急致电东北军各军长与师长，严厉批评他们“固执误事”，称：“此事如前次瑞峰（即米春霖——引者注）、志一（即鲍文樾——引者注）两兄回陕时，兄等接受甲案并即实行，则良之出处此刻已不成问题。今因迁延，引起误会，委座实属为难万分。若今日再不接受，而仍以良之问题为先决条件，则爱我即以害我，不但害我，且害我团体，害我国家矣。”张学良因而恳切要求他们：“立命部队于今日正午以前开始移动。”
这一天，蒋介石的态度也略有松动。他致电顾祝同，要其转告东北军将领：“关于汉卿出处问题，一俟移防完毕后，可保证，必为其负责请求，使汉卿出而效力国家。至于复权，更不成问题。但在此时万勿提出事实上不可能之问题，以延误大局也。”
接到张学良电报，又得知蒋介石的说明后，西安方面的谈判代表米春霖立即通报何柱国，力劝西安方面接受条件。经过几个小时的反复讨论，东北军高层将领和杨虎城终于决定接受南京条件，只是要求撤退时间以7天为限。
27日，西安方面完全妥协，与南京最后达成和解。但西安城内以应德田、苗剑秋、孙鸣九等东北军少壮派军官为首的激进分子一起到周恩来住处请愿，强烈要求红军支持他们坚持释放张学良的条件。周恩来费尽口舌，苗、孙等大哭并跪求，扬言红军若不帮助，就等于破裂。对此，周恩来虽竭尽全力劝说，而左派激烈情绪不得缓解，整个局势自然极具爆炸性。
不得已，周恩来致电潘汉年，请其向蒋介石说明：（1）我们在西安已尽最大努力，杨虎城已决心服从蒋先生，惟东北军多数干部痛于张汉卿不能回陕见面一次，决不肯先撤兵，恩来及何柱国、王以哲等向之说服亦无效；（2）除我们继续努力向他们说服外，务请蒋先生抚念此流亡之师，以手书告东北军将领，保证撤兵后，即给张恢复公权与名义，许张出席三中全会，并许张回陕训话一次，以安东北军之心；（3）请蒋先生许张汉卿写亲笔信给杨、于、孙、何、王及东北军将领，坚其撤兵之决心；（4）请蒋先生许可西安及东北军派代表见张一面，然后撤兵。
28日，因张闻天到西安，明确表态支持撤兵，年轻军官们十分激动。周恩来不得不与这些主战的东北军少壮派代表开了一天的会，摊开地图详细地向他们解释战争不利。但这些人完全听不进去，强调打起来就会有办法，表示除非张回陕，否则决不撤兵。他们一再逼着周恩来等表态，或者破裂，或者红军与他们一同作战。周恩来报告说：“我们坚持让步主和，讨论一天未决。会后，何（柱国）、王（以哲）及高崇民力主撤兵，与少壮派开会，仍僵持不下。”周深知，在这时“只有杨转变，及鲍（文樾）、董（文斌）努力，才能影响少壮派撤兵，否则严守中立，万一工作不好，必失东北军、十七路军与反蒋（派）大部同情”。因此，周恩来在29日又通过王以哲去做杨虎城的工作，并根据张闻天的提议暗示杨，如不顾和平，致战争发生，红军将不会参战。
既要与南京求得团结统一，又要继续保持西北三位一体，这已经变成一件两难的事情。而中共代表关于红军不愿参加作战的表态，迅速在西安左派军官内部传开，一时间在东北军、第17路军的军官中间，都出现了关于“红军出卖朋友”的不满言论。30日中午时分，当潼关谈判大体告成、西安方面决定接受甲案从2月1日开始全线撤兵的消息传开后，又有几批军官前往周恩来等中共代表驻地表示强烈抗议。
为了不背上出卖朋友的罪名，30日当晚，周恩来与博古、叶剑英等专程从西安赶到云阳，同在那里的张闻天、彭德怀、任弼时、王稼祥等政治局领导人一同开会。经过反复讨论，与会者最后一致同意了周恩来的提议。会后，云阳的中共领导人联名致电毛泽东等，提出：如果友军坚持在张学良回陕一次的问题上不让步，为不与友军处于对立地位，我们必须准备与友军一同作战。“打得好和平仍然有望，如打败则使友军从实际经验中相信我们的和平主张，在更不利条件下接受和平”。毛泽东等立即复电：（1）和平是我们的基本方针，也是张、杨的基本方针。（2）但我们与张是三位一体，进则同进，退则同退。我们不能独异而失去张、杨。（3）向张、杨两部表示，我们始终同他们一道。在他们不同意撤兵以前，我们不单独行动，协助他们争取更有利条件。
31日将近中午时分，周恩来、博古及叶剑英返回西安。但在周恩来等回到西安之前，由于得到南京任命，负有指挥东北军和调处西北问题全权的于学忠从兰州飞到西安，并与杨虎城及东北军将领先后会面，杨虎城和多数东北军高级军官已一致决心求和了。在这一天夜里召开的三方会议上，周恩来说明了中共中央的态度：“我们原来是坚决主张和平解决的，以后你们两方有许多人坚决主战，我们为了团结，只要你们两方一致主战，我们也可以牺牲我们原来的主张。现在你们两方一致主和，我们当然是赞同的。不过，请你们要注意内部的团结和说服你们的部下，否则恐怕还会发生问题。”
本来是杨虎城和东北军多数主战，中共主和，东北军少壮派军官的怒气自然都冲着中共方面发；如今应德田、孙鸣九、苗剑秋等突然发现自己的少数高级长官转而不顾张学良的处境，坚决主和，这不能不让这些自认为最受副司令信任，也最忠实于副司令的抗日同志会的干部深受刺激。据戴笠手下的情报人员报称：孙鸣九等人这时举行了紧急会议，一致通过决定，并致电前方指挥官：（1）决定以武力贯彻副座回陕之要求，三位一体绝对切实合作到底；（2）后方无虑，请准备为副司令归来而奋斗到底；（3）据闻敌拟明日下总攻击令，务必严阵以待，予以痛创；（4）战斗开始后，友军决能及时加入战斗，万请放心；（5）杨主任之决心极坚定，曾表示只剩我17路军亦不能屈服投降，必为争取副司令回陕奋斗到底；（6）大势如此，即使有一二人或有异见，也无所施其奸计；（7）今日在西安，所有文武同志一致认为，如副司令不回陕，则绝对死守现阵地，不再交涉任何条件；（8）盼割断电话线，以防奸人利用。
2月1日，根据西安方面高层决定，西安方面派李志刚前往潼关谈判妥协，中共方面亦派李克农前往接洽。几人尚未动身即被孙鸣九等指挥的部队拦截在城门内，不让出城。东北军特务团一部甚至包围了于学忠的住地，一批少壮派军官向于学忠下跪，大哭大闹，要于放弃头天晚上的决定。后仅因何柱国大怒，痛加训斥，以执行军纪相威胁，这些人才被迫撤去。但这件事已经预示着不祥的苗头。上午，李志刚等到潼关，与顾祝同达成了10项办法：（1）同意张学良复权授职并出席三中全会。（2）张可回陕训话，以便联军向甲案地区移防。（3）东北军在咸邠间暂驻三到四个团，移防毕可增加两团。（4）17路军在西安附近驻一旅，如须增加时则加驻两团，东北军可驻一团。（5）西安城暂由绥署负责，以后共同负责。（6）中央军在西安不驻有威胁的兵力。（7）善后费200万元，续请核发。（8）东北军、17路军各发足经费一个月，移防后再发一个月。（9）第三者（指红军——引者注）经费由杨虎城先发50万元。（10）移防时组织视察团。
鉴于南京方面在最关键的张学良问题上初步答应了西安方面的要求，杨虎城和于学忠遂于当天下午向前线指挥官正式发布命令，要他们当即撤退西北联军的警戒部队，2日将前线部队撤至渭北，3日撤至渭南。然而，因为东北军上层将领完全无视张学良回陕的要求，抗日同志会的主要成员苗剑秋、孙鸣九、应德田等人终于按捺不住，决心公开造反了。
2月2日，苗剑秋、孙鸣九、应德田等借抗日同志会的名义召开会议，一致决定发动政变，除去东北军上层的妥协派，彻底改造东北军领导核心，改变一切妥协决定。事变上午发生，至中午时分周恩来已经得到了消息。他于下午1时致电毛泽东等，通报了当时得知的情况。电报称：东北军本日发生内变，主和首领王以哲被枪杀，一些人并四处搜寻何柱国。
事实上，同志会成员这时几乎把所有赞同妥协的东北军将领都视为他们夺权的障碍，孙鸣九等人指挥的特务团等一度在西安城内四处搜寻追杀东北军的所谓妥协派，不仅王以哲军长首先遇害，就连对军政决策并不起重要作用的原西北剿总参谋处长徐方、交通处长蒋斌和副处长宋学礼等亦相继被杀。这就是“二二”事件。仅因为有同情者暗通消息，何柱国等最主要的主和首领才得以躲入杨虎城的公寓，幸免于难。
“二二”事变只持续了一天左右的时间。3日凌晨，前线部队已经撤了下来，而西安的这些年轻军官根本无法取得指挥权，政变者除了得到17路军部分旅团长和西安城内左倾力量的同情外，在整个东北军内部明显地处于孤立地位。在得知大批前线将士因王以哲被杀而群情激愤、必欲严惩同志会干部之后，孙鸣九等很快就陷入了进退两难的困境。由于杨虎城和于学忠无法左右当时的混乱局面，周恩来不得不再度出面进行调解。他一方面打电话给杨虎城、于学忠，劝说杨、于共同出来主持大局，一方面又设法派刘鼎带苗剑秋等人乘车秘密出城远避三原红军驻地。
“二二”事变的巨大破坏性很快就显露出来了。2月3日，驻蒲城的东北军骑兵第10师首先叛变，将杨虎城在蒲城的民团全部缴械。几乎与此同时，驻周至、眉县的东北军106师也宣布效命南京，脱离西安。紧接着，过去深为张学良所信任的东北军105师刘多荃部也转向与潼关中央军接头，沈克师也引中央军到岐山、武功，57军缪澄流部向西安兴师问罪，扬言要消灭特务团，67军副军长吴克仁也扬言报复。很快，枪杀王以哲的特务连连长于文俊即被剖腹，曾经积极参与同志会并与红军联系密切的高福源被枪决，其属下4个团长被扣，1个营的士兵逃走，另外政训处跑散，张学良公馆机要人员也跑光了，机要文件大部被烧毁，特务团及抗先队被迫远避邠州，留在部队的抗日同志会成员均大起恐慌。同时米春霖、谢珂在潼关不归，鲍文樾、马占山亦分裂东去，东北军由此迅速分化瓦解，西北三位一体已无以为继了。
“二二”事变后，西安方面已再无人言战了。2月8日，中央军开入西安。次日，顾祝同率西安行营人员正式进驻西安。3月初，根据东北军将领们的愿望，东北军放弃甲案，接受乙案，正式东调。不久，第17路军总指挥部亦被撤销，杨虎城被迫出国。张学良虽经蒋于2月13日提议恢复公权，也被批准参加国民党三中全会，但事实上仍旧被严加管束，不得自由。西安事变两大主角张学良和杨虎城所提出的政治主张，以及蒋介石当初的许诺，大多数并没有成为现实。