在重慶，毛澤東外出時，周恩來都同車陪同。有一次，毛澤東和周恩來應蔣介石的邀請，在原國民政府主席林森的公館裡住了一天。一到那裡，周恩來又囑咐警衛人員：要仔細檢查，各個角落都要查到，看有沒有爆炸品和燃燒品等。警衛人員檢查后，他仍不放心，又親自檢查，床上、床下、枕頭都看過，在椅子上也先坐一坐，然后才讓毛澤東進去。毛澤東住下后，他又囑咐警衛人員：保証房內不能離人，不要讓別人進來。在宴會上，人們擁上來，爭著向毛澤東敬酒。周恩來都接過來，替毛澤東喝完那一杯又一杯的酒。白天，他幫助毛澤東處理繁重的工作。深夜，當毛澤東休息后，他又繼續召集會議，檢查和布置第二天的工作，度過多少不眠之夜。
在毛澤東、周恩來等赴重慶談判期間，朱德和劉少奇在延安做的一項重大工作，就是在自衛原則下指揮必要的軍事斗爭來配合重慶談判桌上的斗爭。蔣介石雖然打出“和談”的招牌，但一點也沒有放鬆對解放區的軍事進攻。8月30日，朱德和劉少奇、任弼時致電陝甘寧晉綏聯防軍司令賀龍，說明毛澤東赴渝談判是必要的，蔣介石不敢不保障毛澤東的安全，“目前在前線上最能配合與幫助談判的事情，就是在頑軍向我解放區進攻時，在自衛原則下打幾個勝利的殲滅戰”。
會談的最初四天，是就政治、軍事問題先做一般性商談，隨便交換意見。由於國民黨對這次談判並沒有真正的誠意，而且也沒有估計到毛澤東真會這樣快地應邀來到重慶，所以他們根本沒有准備好談判方案。為了便於談判進行，使談判能取得具體的成果，隻好由中共方面先提出意見。9月3日，中共方面將擬訂的兩黨談判方案11項交給國民黨代表轉蔣介石。
這11項內容，是從實現和平、團結、民主的願望出發，以國共兩黨現有政治軍事力量的實際狀況為基礎，並由中共方面做出重大讓步（包括軍隊的大批裁減和南方解放區的撤出）的條件下提出的。但是，國民黨方面卻連把這11項作為討論的基礎也不願接受。9月4日上午，蔣介石召集張群、王世杰、邵力子、張治中4人開會，把他在毛澤東到重慶一星期后才倉促擬出的《對中共談判要點》交給他們。
當天晚上，周恩來、王若飛同國民黨代表開始就實質性問題進行商談。國民黨代表張群等一開口就表示：“兄等此次所提條件，距離尚遠”，“有數點根本無從討論”。他們提出：現“亟須確定者尚是談判之態度與精神”。
周恩來接著做了一個長篇發言，指出：具體問題的解決，不免遭遇困難，這自在我人意料之中。為了求得問題的解決，我方已做了盡可能的讓步：“第一，認為聯合政府既不能做到，故此次並不提出，而隻要求各黨派參加政府。第二，召開黨派會議產生聯合政府之方式，國民黨既認為有推翻政府之顧慮，故我等此次根本未提黨派會議。第三，國民大會之代表，中共主張普選，但雪艇先生（王世杰）與毛先生談話時既認為不可能，中共雖不能放棄主張然亦不反對參加，現在亦不在北方另行召開會議。凡此讓步皆為此次談話之政治基礎”，“可保証此次談判之成功”。
由於國民黨沒有解決問題的具體方案，其代表無言以對。於是，自5日起談判中斷了3天。
9月8日、10日、11日、12日、15日、19日、21日，周恩來、王若飛同國民黨談判代表進行了7次談判。商談中，雙方的主要爭執點仍在軍隊問題和解放區問題。
3個星期的談判，中共一再讓步，表現出謀求和平的誠意和願望。國民黨則是軟硬兼施，企圖迫使中共就范。中共代表感到無法再談下去，為了使外界了解情況，周恩來向各黨派如民盟、國民黨內的民主派以及文化、新聞、產業界人士解釋中共的主張，說明談判陷入僵局的原因。許多人對中共表示同情。
當時，國民黨當局加緊調兵遣將向解放區進攻，從8月中旬開始一個多月內，調集了37個軍73個師的兵力，其中大部分用於向華北解放區進犯，企圖控制整個華北，分割、壓縮各解放區，並打開它進軍東北的通道。中共中央、中央軍委在劉少奇、朱德的主持下，密切注視對方的動向，指示各解放區對從平漢、津浦、同蒲、正太和平綏等鐵路干線推進的國民黨軍隊給予堅決的打擊和阻滯，在各鐵路沿線開展交通破擊戰，集中力量組織幾個戰役。
戰場的形勢決定談判桌上的形勢。蔣介石自恃武力強大，蠻橫地說：“要和，就照我所列諸條件和，不然回延安帶兵來打好了。”蔣介石之所以如此蠻橫，意在拖延談判時間，等待各戰區的“捷報”。
9月27日、28日，10月2日、5日，雙方就軍事問題、解放區問題和國民大會問題又進行了4次會談。
周恩來建議：將一個月來的談話記錄整理出來，其中總的方針、軍事問題、政治會議問題等，或已雙方同意，或彼此意見接近，擇其能發表者發表之，以解人民之渴望。國民黨代表表示同意。
上黨戰役從9月10日開始，至10月12日獲得全勝，晉冀魯豫軍區部隊共殲閻錫山部13個師35000多人。正因為上黨打得好，重慶的蔣介石不得不回到談判桌上來。
一開始，蔣介石對上黨戰事抱著極大的希望，希望閻錫山能打個好仗，一是摸摸共產黨軍隊的戰斗實力﹔二是借此壓共產黨再做讓步，所以當國共雙方的會談紀要定稿后，中共代表催蔣介石簽字時，他遲遲不肯簽字。閻軍在上黨的慘敗無異於給蔣介石當頭一悶棍，他隻得派人到紅岩村與周恩來聯系，表示要盡快在《政府與中共代表會談紀要》上簽字。
10月8日，張治中在軍事委員會大禮堂舉行盛大宴會招待毛澤東、周恩來等，並邀請了國民黨參政員、黨政軍要員和重慶文化界、新聞界各方人士500多人參加，盛況空前。
宴會后，舉行文藝晚會，觀看演員的精彩表演。毛澤東、周恩來、張治中等正在為演員熱烈鼓掌時，一件震驚重慶的突然事件發生了：第十八集團軍駐重慶辦事處秘書李少石（共產黨員、廖仲愷女婿）自曾家岩乘坐小汽車送國民黨左派柳亞子回沙坪壩，歸來途中遭到國民黨士兵的槍擊，傷勢嚴重，送入市民醫院后搶救無效而去世。周恩來接到新華日報社營業部來人的報告后，為之一震，但他沒有立刻驚動毛澤東，只是對他輕輕說了聲：“有點事，我出去一趟。”
周恩來立刻找來國民黨的憲兵司令張鎮，同他一起趕到市民醫院。周恩來悲痛地說：“20年前，在同樣的情況下，我看到你的岳父廖仲愷先后遭反革命暗害，其情景猶歷歷在目，不料如今我又看到你遭到凶殺……”他責令張鎮要嚴加偵察，緝凶歸案。
周恩來考慮到毛澤東的安全，立即對張鎮說：“晚會結束后，請你負責毛主席的安全，他坐在你的車上，你親自送到紅岩八路軍辦事處。”張鎮立即答應照辦。
隨后，周恩來又輕輕地走進軍事委員會大禮堂，仍然回到原來的座位上，一直默默地坐到散場。毛澤東始終坐著看演出，不知道曾經發生什麼。
散會后，張鎮按照周恩來的要求，用他的汽車親自護送毛澤東回紅岩。毛澤東上車后，周恩來把李少石被殺一事告訴張治中，張治中表示調查。
由於環境十分險惡，事實真相又不明，於是有了種種猜測，都把它同毛澤東的安全聯系起來，認為這是一起嚴重的政治暗殺事件，是國民黨下的手！對此，周恩來沉著應付，一面交代錢之光、陳龍、龍飛虎等加強對毛澤東的安全保衛，以防萬一﹔一面催促國民黨當局迅速破案，並派人到出事地點向在場群眾調查。
經過反復查証，到10日案情已經清楚：8日下午，司機熊國華先把柳亞子先生送到沙坪壩中央大學附近他的住宅后，拉著李少石急速往回返。車抵紅岩嘴下土灣， 不慎撞傷陸軍重迫擊炮第一團第三營第七連士兵吳應堂。班長田開福見汽車肇事后沒有停下來，就朝汽車開槍。子彈從車后的工具箱穿過，打中李少石的肺部。李少石被送重慶市民醫院后因流血過多、搶救無效，於當晚7時45分犧牲，時年29歲。
事情弄清后，《新華日報》發表錢之光的談話，說明這個悲痛的偶然事件的經過，表示願擔負那個受傷士兵的醫療費用，萬一傷重去世，願負責殮葬與撫恤。周恩來在安葬李少石后，也親往醫院看望那個受傷士兵，重申願負擔一切醫療費用。
10月10日，蔣介石在國民政府舉行慶祝國慶招待外賓的雞尾酒會。下午4時半，蔣介石到桂園張治中公館回訪毛澤東，會談10多分鐘后，一同回到國民政府參加酒會。
約5時半，酒會結束，毛澤東回到曾家岩桂園樓上休息。中共代表周恩來、王若飛和國民黨代表王世杰、張治中、邵力子離開會場到桂園。
6時，在張治中公館的會客室南牆“天下為公”的橫幅下橫擺著一張條桌，覆以桌布，擺上簽字用的筆墨。《政府與中共代表會談紀要》（史稱《雙十協定》）簽字儀式在這裡舉行。會場簡朴、肅穆、庄嚴。
一切准備就緒，雙方代表先后到場，互相致意，並審閱了事先謄寫好的《雙十協定》全文，表示同意，就按名次先后簽上自己的名字。他們雖然沒有說話，但從臉上表情看，顯得既嚴肅又高興。全體代表中，隻有張群因公外出，不在重慶，他的名字是事后補簽的。協議全文於同月12日在報上公布。
簽字完成后，邵力子向雙方代表建議：“這次商談，所以能夠獲得初步成功，達成協議，多有賴於毛潤之先生的不辭勞苦奔波，應請他下樓相見。”大家欣然同意，於是毛澤東自樓上下來和大家逐一握手，互致祝賀。
11日上午，由張治中陪同毛澤東同赴九龍坡機場，乘蔣介石的專機“美齡號”飛返延安。蔣介石特派陳誠代表他到機場送行。到機場送行的還有各階層、各方面人士數百人。下午1時30分，毛澤東安返延安，機場上一片歡聲笑語。
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