第二天，周恩来、王若飞将中共方面拟定的两党谈判方案11项交给国民党代表转送蒋介石。王若飞在谈判结束后向政治局汇报时说："前六天，看他们毫无准备。左舜生刻薄他们，说只见中共意见，不见政府意见。"
9月2日晚、4日、12日、17日和10月9日、10日，毛泽东或者单独，或在周恩来、王若飞陪同下，或在赫尔利参加下，同蒋介石进行了多次会谈。
当时担任毛泽东副官的蒋泽民回忆道："毛泽东到重庆后，每次参加谈判，我和陈龙都跟随前往，毛泽东他们在里屋商谈，我们在外屋等候。无论谈判多么紧张，斗争多么尖锐，争执多么激烈，毛泽东的表情是平静的，举止是从容的，讲话时的语调也都是温和的。""在外屋等候的我们，有时也能隐隐约约听见里面的争吵声。我观察，毛泽东说话并不多，但是很有分量，只要他的声音出现后，屋内就立刻安静下来。"
在近一个月的商谈中，国共双方在一些问题上达成了共识，但在军队缩编、解放区、国民大会等问题上却搁了浅。谈判中，张群等根据蒋介石的指示，曾于9月8日写了一份书面文件，逐条回答中共所提谈判要点。其第一项称："和平建国自为共同不易之方针，实行三民主义亦为共同必遵之目的。"第二项称："拥护蒋主席之领导地位，承明白表示，甚佩。"第三项称："各党派在法律面前平等，本为宪政常规，今可即行承认。"其他如严惩汉奸，解散伪军，参加受降工作，停止武装冲突，释放政治犯，严禁特务逮捕、拘禁以及政治民主化、军队国家化的原则，国民党代表都表示"自可考虑"，或"自无问题"，蒋介石和国民党代表所不能接受的是"重选国民大会代表"、"解决解放区办法"以及"军队国家化之必要办法"等问题。当时，毛泽东要求将中共部队改编为48个师，而蒋介石只允许以20个师为最高限额。至于五省主席、六省副主席、四市副市长、北平行营主任等职，蒋介石觉得中共是"狮子大开口"，根本不想考虑。
9月21日晚，赫尔利向毛泽东提出，中共应该交出军队，交出解放区，否则谈判就要破裂。赫尔利这些话，是最后通牒式的施加压力。毛泽东从容不迫地用8个字来回答："问题复杂，还要讨论。"他说：军队国家化，国家要统一，我们是完全赞成的，但前提是国家民主化，军队和解放区不能交给一党控制的政府。如何民主化，还要讨论。虽然目前有很多困难，但总会想出克服办法的。我们不主张破裂。
就在两党谈判僵持不下之际，蒋介石却于9月27日偕宋美龄飞往西昌，休息去了。在去西昌的飞机上，蒋介石读到了毛泽东回答路透社记者的提问。提问中，毛泽东谈到，解放区已经拥有120万人以上的军队和220万人以上的民兵，除分布于华北各省与西北的陕甘宁边区外，还分布于江苏、安徽、浙江、福建、河南、湖北、湖南、广东各省。毛泽东的这段谈话勾起了蒋对中共所提11条的回忆，也勾起了蒋郁结在胸中对中共和毛泽东长期的仇视。其实，在蒋介石的心目中，中共早已不是和国民党并肩抗敌的战友，而是"汉奸"、"叛逆"；毛泽东也不是他盛情相邀的贵宾，而是"罪魁祸首"。蒋介石在日记中，给共产党列举了11条罪状。
蒋介石写这些"罪状"，当然不是一时兴至，"无所为而为"，显然，他是在为扣留并惩办毛泽东做准备。
然而，毛泽东应邀，为两党谈判而来，要扣留并惩办毛泽东不是一件简单的事。蒋介石首先想到的是美国大使赫尔利的保证和美国政府的态度，也想到苏联政府可能的反应。
想来想去，蒋介石"审治"毛泽东，彻底解决中共问题的冲动越来越强烈，几乎难以遏制了。龙云长期统治云南，形成半独立状态。蒋介石早就想解决龙云，其办法是任命龙云为军事参议院院长，将他从昆明老窝调到重庆。但蒋介石又担心龙云不肯入彀，做了武力强迫的准备。10月3日，杜聿明的军队武装包围云南省政府，完全控制昆明，龙云的滇军仅有小反抗。蒋介石很高兴，认为龙云"经此一击。彼当不能不俯首遵命乎！"几天之后，龙云被迫到重庆接任新职。龙云问题解决了，蒋介石的思绪再次回到中共问题上。当时，伦敦的五国外长会议因美苏对立，无果休会。蒋介石认为"俄国实力已耗，外强而中已干"，是他解决中共问题的好时机。蒋介石估计，一旦他做了"此事"，苏联不会善罢甘休，有可能占领新疆，拒绝从东北撤兵。但是，蒋介石觉得还是合算，他还是要做。毛泽东在重庆，如鱼游釜内，有点"悬"了。
然而，就在蒋介石破釜沉舟，准备豁出去做"此事"的时候，他却又犹豫起来了。10月6日，蒋介石反省上周作为，觉得龙云问题解决，西南巩固，"建国已有南方统一之基础"，"心神乃得自慰"。但是，对于解决中共问题，他觉得国内、国外反对者很多，困难很大。日记写道："对共问题，郑重考虑，不敢稍有孟浪。总不使内外有所借口，或因此再起纷扰。最后唯有天命是从也。"
蒋介石的"郑重考虑"是必要的。如果他悍然扣留并"审治"毛泽东，不仅美国、苏联通不过，在抗战八年中发展起来的百万中共武装通不过，那时已经站在中共一边的民主党派自然也通不过。其结果，必将出现"再起纷扰"的严重局面。这么一想，蒋介石又把他那颗强烈跳动的想扣留并"审治"毛泽东的心摁住了。当天正午，蒋介石与左右讨论中共方面所起草的《会谈纪要》以及毛泽东的离渝时间，蒋介石"立允其速行，以免其疑虑"。
谈判在艰苦曲折的道路上继续缓慢前进，斗争十分激烈。10月8日，双方代表最后就《国民政府与中共代表会谈纪要》达成协议。
10月9日，毛泽东向蒋介石告别。蒋问毛：对国共合作办法有无意见？据蒋日记记载，"毛吞吐其辞，不作正面回答。"蒋对毛称："国共非彻底合作不可。否则不仅于国家不利，而且于共党有害。"蒋继称："余为共党今日计，对国内政策应改变方针，即放弃军队与地盘观念，而在政治上、经济上竞争，此为共党今后唯一之出路，第一期建设计划如不能全国一致，努力完成，则国家必不能生存于今日之世界，而世界第三次战争亦必由此而起。如此吾人不仅对国家为罪人，而且对今后人类之祸福亦应负其责也。"
这段话，蒋介石觉得他是向毛掏了心窝子，毛的反应，据蒋日记记载，"彼口以为然"，但是，蒋不大相信，所以接着写道："未知果能动其心于万一，但余之诚意或为彼所知乎？"当日正午，蒋介石继续与毛泽东谈话，并且设宴招待。
10月10日下午，周恩来、王若飞和王世杰、张群、张治中、邵力子在桂园客厅里正式签署《国民政府与中共代表会谈纪要》（通常称作《双十协定》）。签字仪式后，政府代表邵力子说："此次商谈得以初步完成，多有赖于毛先生之不辞辛劳。"接着，毛泽东从楼上走下来，同在场者一一握手，表示祝贺。当夜，毛泽东又在周恩来、王若飞陪同下，到山洞林园同蒋介石长谈了一个晚上和一个早晨。毛泽东告诉蒋介石，他回延安后，周恩来、王若飞仍留在重庆同国民党代表进行商谈，使《双十协定》还没有解决的问题能在召开政治会议以前得到解决。
至此，这次国共谈判告一段落。
重庆谈判的意义
《双十协定》由周恩来起草，是毛泽东、周恩来到重庆后和国民党代表多次商谈的结果，也是双方求同存异、互谅互让的结果。共十二条，其中《关于和平建国的基本方针》属于总纲性质，双方一致确认："中国抗日战争业已胜利结束，和平建国的新阶段即将开始，必须共同努力，以和平、民主、团结、统一为基础，并将在蒋主席的领导之下，长期合作，坚决避免内战，建设独立、自由和富强的新中国，彻底实现三民主义。双方又同认蒋主席所倡导之政治民主化、军队国家化及党派平等合法，为达到和平建国必由之途径。"
关于政治民主化问题，《双十协定》宣布，双方"一致认为应迅速结束训政，实施宪政，并立先采必要步骤，由国民政府召开政治协商会议，邀集各党派代表及社会贤达协商国是，讨论和平建国方案及召开国民大会各项问题"。《双十协定》并称："现双方正与各方洽商政治协商会议名额、组织及其职权等项问题，双方同意一俟洽商完毕，政治协商会议即应迅速召开。"
其他双方一致同意或基本一致的条文有人民自由问题、党派合法问题、特务机关问题、释放政治犯问题、地方自治问题等。毛泽东后来曾说："有成议的六条，都是有益于中国人民的。"有些问题，难度较大，如军队国家化问题，中共表示愿缩编至24个师至少20个师的数目，国民党则表示20个师的数目可以考虑，双方意见趋近。有些问题，双方争持不下，如"国民大会问题"，中共坚持代表重选，延缓召开等主张，国民党则坚持原选出之代表有效，名额可以增加。中共表示："不愿见因此项问题之争论而破坏团结"，双方同意将此问题提交政治协商会议解决。关于解放区地方政府问题，中共先后提出四种方案，国民党均以"政令统一必须提前实现"为理由加以拒绝，中共方面只能提出，继续商谈。
《双十协定》的签字是大喜事。饱经战争之苦的中国人终于向避免内战，化干戈为玉帛前进了一大步。这一天还发生了另一件喜事。这就是，国民政府发布授勋令，对大批抗战文武有功人员授予"胜利勋章"。蒋介石考虑再三，在受勋人员名单中加进了朱德、彭德怀、叶剑英3人，又加进了毛泽东和董必武，还加进了邓颖超。事后，蒋介石在日记中写下了他这么做的原因：双十节授勋，特将共朱毛等姓名加入，使之安心，以彼等自知破坏抗战，危害国家为有罪，唯恐政府发其罪状，故亟欲抗战有功表白于世，以掩盖其滔天罪恶。余乃将顺其意以慰之，使其能有所感悟而为之悔改乎，然而难矣哉！
世界授勋史上大概还不曾有过这样的前例：内心深处认为其人有"滔天罪恶"，但是，还要为其授勋，表扬其抗战功绩。
1945年10月11日上午9时许，毛泽东在张治中和周恩来、王若飞陪同下从桂园前往机场。到机场后，他同前来送行的蒋介石的代表陈诚以及其他友好人士握手道别，然后偕同张治中、王若飞登上一架草绿色的双引擎C47型运输机。经过近4个小时的飞行，在下午1时30分回到延安。
毛泽东一到延安，当天就召开政治局会议。第二天，根据政治局会议的决定，毛泽东又为中共中央起草了一份给各中央局并转各区党委的指示，对重庆谈判作了这样的评价："双十节国共协定今日公布。这一协定奠定了和平建国基础，并为全国人民争取了许多民主权利（当然还只是写在纸上的东西），取得了我党和国民党平等的地位，这些都是这次谈判的重要成就。"同时指出："和平基本方针虽已奠定，但暂时许多局部的大规模的冲突仍不可避免"，解放区问题未能在此次谈判中解决，军队整编问题也没有最后解决。国民党军队现正向各解放区大举进攻。因此，"我方必须提起充分注意，战胜这些进攻，绝对不可以松懈。"
毛泽东告辞离去后，蒋介石独自在林园中逛了一周，心里想的是："共党不可与同群也。"他似乎已经忘记，10月9日，他还和毛泽东谈过："国共非彻底合作不可。"12日，蒋介石回想他和毛泽东在重庆的多次接触，觉得共产党的这位领袖不好对付。日记云："共毛态度鬼怪，阴阳叵测，硬软不定，绵里藏针。"对于中国的未来，他有"荆棘丛生"的感觉，不过，他仍然充满自信，相信在今后的较量中，他可以战胜毛泽东。其《反省录》云："断定其人绝无成事之可能，而亦不足妨碍我统一之事业，任其变动，终不能跳出此掌一握之中。仍以政治方法制之，使之不得不就范也。政治致曲，不能专恃简直耳！"蒋介石一生做过许多错误判断，但是，其中最大的误判可能就是上述判断。历史证明，蒋介石的"一握"并没有能控制毛泽东，相反，倒是毛泽东跳身出来，让中国在三四年的时间内天翻地覆，并且将他赶到了海峡彼岸。