继重庆谈判之后，1946年5月3日，周恩来率领中共代表团转赴南京，继续与国民党代表进行和平谈判。
1946年6月6日，蒋介石发表关于东北暂时停战的声明，期限为15日。为期15天的休战谈判中，国民党方面不断提出无理要求或出难题，企图使中共屈服或者宣告谈判破裂，让中共方面承担谈判破裂的责任，好让其有发动内战的理由。蒋介石自认为局势对他有利，竟提出给美方以“最后决定权”。周恩来在与国民党代表的会谈中，坚决拒绝了这一无理要求。
在社会舆论的强大压力下，蒋介石于6月21日宣布东北休战再延期8天。在8天的休战谈判中，就停止东北冲突、恢复交通和美方决定权问题，中国共产党在坚持原则的基础上进行了灵活处理，作了有条件、有步骤的让步。
6月24日，三人会议通过了《三人会议终止东北冲突之训令》《恢复华北华中交通线指令》《解决执行小组交通小组北平军调部及长春军调分部中某些争执之条款》。中共方面主张将这三项文件立即签字，以告慰全国人民，但蒋介石不同意，坚持必须等所有的协议都谈成以后才能签字，使得已通过的协议也不能实施。
接下来是关于《整军方案》补充办法的谈判，双方在军队驻地和地方政权问题上产生了分歧，进而发生激烈的争论。中国共产党为了和平，又作出一些让步，答应可以谈驻地问题，但应按《政协决议》和《整军方案》来谈。
东北停战谈判尚未结束，6月26日，国民党军队对中原解放区发动围攻，以此为起点，全面内战爆发。
从7月份起，国共谈判进入一个新阶段。“这个阶段是表面谈判，实际大打，也就是拖中大打。一方面是我们坚持政协路线，另一方面是蒋不断地破坏它。”
8月5日，蒋介石会见司徒雷登，表示同意他的建议，成立非正式五人小组，以讨论政府的改组。但在第二天，蒋介石又向司徒雷登提出了五项要求，以此作为全面停战和召开非正式五人小组会议的先决条件要求中共接受，五项要求的内容：一、撤出苏皖边区;二、撤出胶济线;三、撤出承德与承德以南地区;四、东北在10月半前退至黑龙江、兴安两省及嫩江北半省与延吉;五、山东和山西两省须撤出6月7日后中共占领地区。
中国共产党明知国民党方面无意在商谈改组国府委员会后停战，但为大局考虑，同意参加非正式五人小组会谈，商谈改组国府委员会办法，这就是中共自南京谈判以来的第二次重大让步。但中国共产党同时表示，在开会商谈前，必须明确三件事：一、改组国府委员会是否依照《政协决议》程序办理，如是，则应由政协综合小组最后商决;二、在商好改组国府委员会办法后，政府是否同意双方立即下令停战;三、政府是否放弃五项要求不谈。对于中共方面提出的三点，国民政府方面对第一点表示同意，对于后两项则是否定的。周恩来重申，中共仍然要求发布无条件停战命令，召开政协综合小组和宪草审议委员会，而不能接受蒋介石五项先决条件中的任何一项。蒋介石不肯放弃五项无理要求，非正式五人小组会议当然无法召开，内战的形势也无法好转。
9月29日凌晨，国民党军队从东、西、南三个方向对张家口发动进攻。第二天，中共代表团致函蒋介石提出了最严重的抗议，信中指出：“事势已很显然，政府不惜以进攻中共解放区的政治军事中心之一的张家口，来迫使国共关系临于最后破裂的境地。”周恩来本人向马歇尔提出备忘录，叶剑英也在北平向执行部国民党政府代表提出了抗议。这一切抗议和备忘录都指出：“如果政府军不停止对张家口及其周围的军事进攻，我们便认为蒋主席决心破裂，最后放弃和平谈判，一切严重的后果和责任，都应由国民政府负之。”
国民党军队对张家口的进攻受到挫败，亟需一段时间的休整，增援兵力。在这样的军事形势下，10月6日，由马歇尔、司徒雷登提议，经蒋介石同意的停攻张家口10天的方案出台了。
这个方案让蒋介石从三个方面受益。首先，方案第一条写了“停攻”两字，虽然只有10天，但是又不能说他没有停战的意思;第二，有了10天的时间，蒋介石足够调兵遣将，为10天后的又一轮进攻做准备;第三，方案的第一条“停攻之目的在于实现十月二日蒋委员长致我的备忘录中所提的二项建议”，就是说中共为了取得张家口的10天“和平”，必须答应蒋介石的两项无理要求。
基于此情形，中共代表团王炳南向司徒雷登转达了周恩来对马、司建议的口头答复：停战不应该限定期限，三人会议和非正式五人小组会议，不应仅仅限于实行蒋介石10月2日的两项意见。
10月9日，周恩来致马歇尔备忘录。在备忘录中，中国共产党提出：“为表示最大的诚意和让步，只要政府立即无期限的停止进攻张家口，我方愿意参加三人会议和非正式五人小组，或政协综合小组，俾同时讨论停战及实施政协决议二项问题。”这就是中国共产党自南京谈判以来作出的第三次重大让步。周恩来还提出军事上的三点和政治上的八点建议，这些建议，也是在以往历次谈判中尚未解决的问题。中共的让步和建议，本着解决问题的态度且诚意满满。但是，10月11日，国民党军队占领了张家口，当晚，国民党政府下令将于11月12日召开“国民大会”。
1946年11月15日，由国民党一党包办的“国民大会”在南京召开，预示国共谈判面临破裂，11月16日，周恩来在梅园新村中共代表团驻地举行告别性的记者招待会，会上发表《对国民党召开“国大”的严正声明》，声明指出：国民党一手包办的“国大”最后破坏了政协召开以来的一切决议、停战协定以及整军方案，表示“我们中国共产党愿同中国人民以及一切真正为和平民主而努力的党派，为真和平真民主奋斗到底”。1946年11月19日，周恩来率中共代表团乘美军专机离开南京返回延安。1947年3月7日，国民政府迫使中共驻南京、重庆、上海三地的联络机构和人员全部撤回延安，南京谈判最终破裂。