12日，南京谈判开始。周恩来、朱德和张冲、邵力子、康泽商谈《中共中央为公布国共合作宣言》的内容。本来在庐山谈判时，蒋介石曾答应一旦中日全面战争开始，就发表中共宣言。但是“七七事变”已一个多月，平、律都已失守，蒋介石不仅压着宣言不发表，而且指使康泽出来横生枝节。康泽提出：宣言不提“民主”，要求取消对民族、民权、民生的解释；不同意提“同国民党获得谅解、共赴国难”等。周恩来当即表示，有的可以研究，有的不能同意，并要求他将中共的意见报蒋介石。
8月13日，日本侵略军突然大举进攻上海，爆发了“八一三”淞沪抗战。战火燃烧到南京政府的心脏地带，中日之战再难避免。蒋介石为了调遣红军上前线对日作战，只好同意了中共提出的一些重要意见，同意红军充任战略的游击支队，执行侧面战，协助友军骚扰与钳制日军大部并消灭一部的作战任务。
1937年8月22日，国民政府军事委员会颁布命令：任命朱德为国民革命军第八路军总指挥，彭德怀为副总指挥，共辖3个师，总兵额4.5万人。林彪、贺龙、刘伯承为师长。
8月22日，八路军改称十八集团军，总、副指挥改称总、副司令。
8月25日，中共中央军委主席毛泽东、副主席朱德、周恩来发布《关于红军改编为国民革命军第八路军的命令》，宣布将前敌总指挥部改为第八路军总指挥部，以朱德为总指挥，彭德怀为副总指挥，叶剑英为参谋长，左权为副参谋长。总政治部为第八路军政治部，以任弼时为主任，邓小平为副主任。
八路军下设3个师：第一一五师由原红军第一军团的第一、第二、第四师和红军第十五军团的第七十三、七十四、七十五、七十八师组成。林彪任师长，聂荣臻任副师长，周昆任参谋长，罗荣桓任政训处主任，肖华任政训处副主任。下辖2个旅：第三四三旅，旅长陈光，副旅长周建屏，政治委员萧华兼，参谋长孙毅（后陈士榘）第三四四旅，旅长徐海东，政治委员黄克诚，参谋长卢绍武。还有师独立团、炮兵营、辎重营、骑兵营、工兵营及教导大队（后改为随营学校）各1个。全师共有兵力1.5万余人。
第一二○师由原红军第二方面军的第二、第六军团，陕北红军第二十七、第二十八军，独立第一、第二师，赤水警卫营及总部直属队一部组成。贺龙任师长，肖克任副师长。周士第任参谋长，关向应任政训处主任，甘泗淇任政训处副主任。下辖两个旅第三五八旅，张宗逊任旅长，李井泉任副旅长，第三五九旅，陈伯钧任旅长、王震任副旅长，唐子奇任参谋长。还有教导团、特务营、炮兵营、辎重营、骑兵营、工兵营、通讯营等。全师共有兵力1.4万余人。
第一二九师由原红军第四方面军的第四、第三十一军和陕北红军第二十九、第三十军，独立第一、二、三、四团及第十五军团骑兵团等部组成。刘伯承任师长，徐向前任副师长，倪志亮任参谋长，张浩任政训处主任，宋任穷任政训处副主任。下辖2个旅：第三八五旅，王宏坤任旅长，王维舟任副旅长，耿赕任参谋长；第三八六旅，陈赓任旅长，陈再道任副旅长，李聚奎任参谋长。还有教导团、特务营、炮兵营、辎重营、工兵营、骑兵营等。全师共有兵力13000余人。
改编后的八路军除三个正规师外，另设八路军后方总留守处，以加强对各师留守部队的统一指挥，由中共中央军委直接领导。另在各地设办事处，向国民党当局洽领军饷，采购与转运军需物资，宣传八路军英勇抗战事迹，接待八路军来往人员等。
争执已久的红军改编后的指挥和人事问题，终于获得解决。当天，周恩来、叶剑英立即把这一消息电告毛泽东，并建议至少应以一个旅为先遣部队，先行东进。毛泽东也在当天复电同意。从8月下旬起，八路军三个师的主力陆续由韩城等处东渡黄河，经同蒲铁路开赴山西前线作战。
周恩来在南京同各方面广泛接触，会见了冯玉祥、白崇禧、龙云、刘湘等人，商谈合作抗日等问题；同何应钦商谈改编湘、赣、闽、粤、浙、鄂、豫、皖等8省13个地区红军游击队成立新四军问题。并在上海会见叶挺，请他出面做改编南方游击队的工作，为组建新四军进行准备。
周恩来非常关心在狱中的共产党员和革命同志，每次同国民党谈判都要提出释放政治犯问题。在我党不断交涉、宋庆龄等大力营救和舆论压力下，
江苏高等法院于
7月31日释放了关押在苏州的沈钧儒、李公朴、史良、邹韬奋、沙千里、王造时、章乃器等“七君子”。但对于释放在狱的共产党员一直不执行协议。陈立夫则以“要共产党开名单来”为借口拖延释放。由于日本侵略军向苏州、南京逼近，日机又开始轰炸，国民党对关押在苏州、南京等地的大批政治犯不愿公开释放，8月16日，由军事委员会公布了《战时监犯调服军役办法》，规定“各监狱长官或反省院长应将合于调服军役之人犯造册报由军政部通盘筹划拨充各部队服务”。周恩来就利用这个机会给国民党“将一军”，8月18日，周恩来和叶剑英到“首都反省院”看望政治犯，并向他们作抗战形势和国共谈判的报告，希望他们早日出来参加抗日战争，得到他们的热烈拥护。报告完，立即向反省院院长交涉，首先把他熟悉的夏之栩（赵世炎夫人）、王根英（陈赓夫人）、张琴秋（西路军政治部组织部长）三个女同志释放。该院长说，张琴秋是顾祝同寄在这里的，他无权释放。夏之栩向周恩来提出，改为熊天荆，周恩来同意，院长也同意。当天下午，我乘车将她们三人接到八路军办事处。王根英很快到西安同陈赓团聚，夏之栩、熊天荆在办事处工作了一段时间。叶剑英写信给军政部长何应钦，把张琴秋也保释出来了。以后营救政治犯工作，都由叶剑英负责进行。
中共取得合法地位后，需要在各地设立公开的办事机构。西安、兰州已经设立红军联络处，七七事变后，阎锡山也允许在太原设立办事处。南京谈判中，国民党又同意在南京、上海设立八路军办事处。周恩来经过友人介绍，在傅厚岗租下了南开大学校长张伯岑的一幢小楼成立八路军驻京办事处。随着抗战形势的发展，又先后在武汉、长沙等地设立八路军办事处，在南昌成立新四军办事处等。
为了宣传中共团结抗战的方针，联系广大群众，打破国民党对舆论的统制，有必要在国民党统治区出版报刊。这件事情两党谈判一开始，周恩来就非常重视。他同国民党当局多次磋商。8月间，国民党中宣部长邵力子批准了中共南京办事处筹办《新华日报》，周恩来非常高兴，他即同朱德探望了国民党元老、监察院长于右任，请他为《新华日报》题写报头。于欣然同意。周恩来指示潘梓年负责筹备工作，参加工作的还有章汉夫、钱之光、许涤新、何云、吴敏（杨放之）、徐迈进、楼适夷等。《群众》周刊的筹备工作也同时进行。由于南京局势紧张，国民党将迁都，邵力子通知《新华日报》的筹备工作移到武汉进行。《群众》周刊于12月11日出版，而《新华日报》直到1938年1月11日才在武汉和读者见面。这是中国共产党第一次在国民党统治区发行的党报和党刊。这两份报刊的公开出版，在当时的政治生活中是一件大事，深受广大群众特别是进步知识分子的欢迎。在抗战时期和解放战争初期，对于宣传党的方针政策，动员广大人民积极参加抗战和民主运动，都起了重大作用。
这次南京谈判经过10天，解决了许多重要问题，还有边区范围和政府负责人等问题没有解决，国共合作宣言还未公布。
党中央决定8月22日在洛川召开中央政治局扩大会议，通知周恩来和朱德回去参加。谈判工作由叶剑英继续进行。21日，周恩来、朱德离南京回西安，22日即到洛川参加会议。
洛川会议讨论了全国抗战开始以后的新形势，研究党在抗日战争中的战略任务和基本政策。会上，毛泽东作了军事问题和国共两党关系问题的报告。通过了《中国共产党抗日救国十大纲领》。
会议决定中共中央革命军事委员会，毛泽东为主席，朱德、周恩来为副主席。为了开展国民党统治区党的工作，决定建立中共长江沿岸委员会，周恩来、博古、叶剑英、董必武、林伯渠为委员，周恩来为书记。
周恩来在会上报告南京谈判、上海抗战、国民党统治区的政治经济等情况。洛川会议25日结束。29日，周恩来、博古、彭德怀抵西安，准备一起去南京同国民党继续谈判，并筹建中共长江沿岸委员会。因华北战场形势紧张，周恩来临危受命，到山西同阎锡山等商谈八路军作战问题。
9月22日，国民党的中央通讯社发表《中共中央为公布国共合作宣言》。23日，蒋介石发表了对中国共产党《国共合作宣言》的谈话。谈话指出了团结救国的深切意义。确定了中国共产党在全国的合法地位。
经过半年多艰难曲折的谈判，终于使对立了十年的国共两党第二次合作了，全国抗日民族统一战线正式形成了，为抗日战争的胜利打下了基础。周恩来为第二次国共合作呕心沥血，亲临前线进行艰苦的谈判，他的功绩永垂史册。