会谈最初较为顺利，达成了一些协议。张冲还向周恩来建议中共通过在苏联的蒋经国来做蒋介石的工作。周恩来当即电告中央请示。这年4月中旬，蒋经国从莫斯科抵达上海，毛泽东、周恩来派李克农同张冲到上海见蒋经国，希望蒋经国以民主思想影响蒋介石。而西安会谈最终虽因顽固派推翻已达成的协议而未取得理想结果，但正如美国记者埃德加？斯诺在《西行漫记》一书中所描述的那样：“总司令派赴西安的使者张冲将军和共方在西安的代表周恩来谈判的结果，在四、五、六月里发生了一些重要变化。经济封锁取消了，红军和外界建立了贸易关系。更重要的是，双方悄悄地恢复了交通联系。在边界上，红星旗和国民党的青天白日旗象征性地交叉挂在一起。”
由于西安会谈收获不大，中共认为有必要与蒋介石直接谈判，双方商定在杭州再次举行会谈。于是，1937年3月下旬，周恩来由西安飞抵上海，在潘汉年陪同下从沪抵杭，同正在西湖休养的蒋介石直接会谈。会谈前一天，周恩来在上海先同宋美龄、宋子文等会晤，并通过宋美龄将中共意见转交给蒋介石。西湖会谈事关重大而又极其机密，谈判地点选择在西湖烟霞山烟霞洞。会谈开始后，周恩来就单刀直入，提出了中共的建议，表示了与国民党合作的诚意；而蒋介石也显得很爽快，同意国共两党重新合作。但紧接着他话锋一转，提出要中共不必说与国民党合作，而是与他个人合作，并称只要这个问题解决了，其他具体问题都是枝节，容易解决。很显然，蒋介石的目的在于取消中共的独立性，把中共合并于国民党。
周恩来机敏过人，经验丰富，早已洞悉蒋的用心。他据理反驳，力陈我党的主张。双方你来我往，进行了为期一周的艰苦谈判。周恩来和潘汉年在会谈中有理有据有节，而蒋介石和他的助手张冲则理亏因而谈不过对方，终于同意周恩来提出的搞个共同纲领规范两党行动的建议，并商定由周恩来回陕北起草这个纲领。
中共中央对首次国共最高级正式会谈所取得的结果表示满意，认为“结果尚好”。而此次西湖会谈，张冲做了许多工作，起了积极的作用；同时也加深了他与中共的谅解与友谊。周恩来为表诚意，特地与张冲在下榻的别墅前单独合影，留下了此次西湖会谈唯一的纪念物。
此后，国共代表自1937年2月到1937年9月，共举行了 6次正式谈判，历时7个月，其中，周恩来与张冲进行过几十次会晤磋商与正式会谈，终于扫除了重重障碍，促成了第二次国共合作的实现。周恩来在《悼张淮南先生》一文中曾这样回顾道：“为商两党团结事，几朝夕往返，达三四月。彼时，甚至以后，参与其事者固不仅先生一人，唯先生为能始终其事。先生与我，并非无党见者，唯站在民族利益之上的党见，非私见私利可比，故无事不可谈通，无问题不可解决。先生与我，各以此自信，亦以此互信。”
在这段时间，有一件事对张冲的思想影响很大。那是1937年6月下旬，国民党考察团由张冲牵线搭桥，访问延安。张冲随团参观考察了延安的机关、学校、工厂。毛泽东也在一周内4次会见考察团成员，阐述中共的方针政策。延安军民在艰难困苦的生存条件下所表现出的朝气蓬勃的精神面貌、满腔热忱的敬业态度、勤奋踏实的工作作风和亲密融洽的人际关系，都与国统区形成鲜明对照，使得久居都市、沉浮宦海的张冲为之耳目一新。特别是毛泽东、周恩来与他的几次单独长谈，气氛友好，关系融洽。中共领袖情真意切，光明磊落，使张冲深受教益，切身体验到中国共产党为国为民的殷殷诚意；而周恩来豁达大度，不咎既往，不记个人怨仇的博大胸怀，更使张冲十分感佩。事后，他悄悄告诉好友：“中国不会亡，民族大有希望，人民大有希望，这是我去陕北后亲自领略到的。”这说明，他的思想、感情与顽固派已有了明显差异。张冲此次延安之行，还与中共建立了秘密的电台联系。此前西湖会谈时，蒋介石就已将一部密码交与周恩来带回陕北，以供两党联络之需。
张冲回到南京，向蒋介石汇报后，亲自布置“中统”香铺营电台与延安定时联络，沟通信息。凡有陕北来电，张冲必守着译电员译好，随即拿去面交蒋介石。蒋介石有什么答复，口授要点后，他当即拟成电文，待蒋点头认可，立刻赶到香铺营电台，守着译电员译码，等到报务员发完后才放心离开。
风雨同舟 力维大局
在张冲与周恩来频繁接触的 6年多（1936年-1941年）时间里，虽然两人各自代表所属党派的立场，但正如周恩来后来在《新华日报》代论《悼张淮南先生》中所言：“我识淮南先生甚晚，西安事变后，始相往来，然自相识之日始，直至临终前四日，我与淮南先生往来何止二三百次，有时一日两三见，有时且于一地共起居，而所谈所为辄属于团结御侮。坚持国策，至死不移。淮南先生诚五年如一日。”
