1955年9月10日，中美大使级会谈达成两国平民回国协议，这是长达15年之久的马拉松式的中美大使级会谈中达成的唯一协议。由此，1955年下半年至1965年底从美国返回中国的科学家有130多人，其中有钱学森等著名科学家。多年之后，周总理在谈到日内瓦会谈时说：“中美大使级会谈虽然没有取得实质性成果，但我们要回了一个钱学森，单就这件事来说，会谈也是值得的。”
1954年4-7月，中美苏英法五国及有关国家在日内瓦举行了讨论朝鲜问题和印度支那问题的会议。这是中华人民共和国首次以五大国之一的地位参加讨论国际问题的一次重要会议。周恩来率团参加了会议，任中国代表团的首席代表。5月19日，英国代表团成员杜威廉向中国代表团成员宦乡口头表示，他愿以私人身份就在华美侨问题和在美华侨问题作为中、美之间的中介人。宦乡向周恩来汇报这一情况，周恩来立即想到中国有一批留学生和科学家被扣留在美国，其中包括钱学森这样著名的科学家。他们对于建设新中国来说，无疑是急需的宝贵人才。于是他指示宦乡：如美方再来试探，可同意经英方中介进行直接接触，视美方态度，确定在何处举行谈判，谈判中首先要联系中国留美学生和科学家被扣问题。5月27日，宦乡根据周恩来指示，口头答复杜威廉。6月1日，杜威廉向宦乡口头转达：美国代表团希望就在华美侨和在美华侨问题与中国代表团进行接触。宦乡请示周恩来后，口头回答杜威廉：中国方面从不拒绝进行商谈。6月4日下午，杜威廉口头告宦乡称：美国代表团指定尤·阿·约翰逊（驻捷公使）为代表、马丁（国务院远东司副司长）为助手与中方接触。建议双方接触地点在国联大厦。杜威廉还说，艾登外相指示他作为中介，参加中美之间的接触。宦乡请示周恩来后，口头回答杜威廉：我方由代表团秘书长王炳南为代表、柯百年为助手与美方接触；同意双方接触地点在国联大厦；不同意杜威廉作为中介，参加谈判。中美之间的首次外交接触就这样借日内瓦会议之机揭开了序幕。
1954年7月21日，日内瓦会议结束。从1954年9月2日起到1955年7月15日，中美双方改在日内瓦举行领事级会谈，前后共举行了17次。其间，美方只想得到他想要的东西，只想做于他有利的事，却对中国提出的要求或王顾左右而言他，或设置重重障碍，执意阻挠中国侨民和留学生返回祖国。同时，美方也拒绝接受中方愿意为那些想到中国探视美犯的家属给予签证的善意，决定不发护照给任何去中国访问的美国公民。领事级会谈未取得任何成果。
为了打破中美外交接触的僵局，1955年4月23日，周恩来在参加亚非会议的八国（缅甸、锡兰、中国、印度、印度尼西亚、巴基斯坦、菲律宾、泰国）代表团团长会议上发表声明：“中国人民同美国人民是友好的。中国人民不要同美国打仗。中国政府愿意同美国政府坐下来谈判，讨论和缓远东紧张局势的问题，特别是和缓台湾地区的紧张局势的问题。”
周恩来的声明大大将了美国一军。当然，其时美国也想找机会缓和一下中美之间的紧张关系，同时也需要安抚国内舆论。7月13日，美国政府即通过英国向我方建议，中美双方互派大使级代表在日内瓦举行会谈。经过磋商，中美双方确定将原在日内瓦进行了将近一年的领事级会谈升格为大使级会谈，并确定我方代表是我驻波兰大使王炳南，美方代表是美驻捷克斯洛伐克大使约翰逊。
中美大使级会谈的消息一公布，整个世界为之震惊。各国的重要报纸几乎都把这件事作为头版头条新闻。有的报纸还被抢购一空。中美大使级会谈的消息成为新闻媒介传播的热点。
1955年8月1日，中美大使级会谈在瑞士日内瓦国联大厦内开始。
第一次会谈由于中方宣布释放美国间谍，也由于中方代表王炳南和约翰逊已经熟识，因此会谈气氛轻松愉快。最后双方达成会谈议程的协议，一是遣返双方侨民问题，二是双方有争执的其他实际问题。
在日内瓦，1955年8月8日举行第4次会谈，当时王炳南还不知道钱学森已经得到可以回国的通知，他再次向约翰逊进行交涉。约翰逊答复说钱已被允许离开美国。这样，为钱学森回国一事所进行的斗争遂告结束。
日内瓦中美大使级会谈是艰难持久的。周恩来仍直接领导了中方的每一步骤。
1958年8月，周恩来又代表中国政府单方面宣布取消不让美国记者进入中国的禁令并同时向美国15家重要新闻单位拍发电报，邀请他们的记者来华访问一个月。这一高着使顽固的杜勒斯大吃一惊，也震动了世界。美国新闻界欢呼雀跃，纷纷要求来中国访问。这便使我方在中美会谈中更有了主动权。
经过我方努力，9月10日这天，双方终于达成了两国大使的联合声明协议，其主要内容是：中美双方承认，在各自国家内的对方平民享有返回的权利，并宣布已采取且将继续采取适当的措施，使他们能够尽速行使其返回的权利；中美两国分别委托印度和英国政府协助中美平民返回本国。
这个协议是双方在互不承认的情况下，搞的一个各说各的杰作，以后尼克松和周恩来达成协议发表的上海公报也仿效了这种形式。正如王炳南所言，“这份协议同时也是1972年上海公报发表前的唯一一份中美之间达成的正式协议”，“我至今读来都能感觉到这份协议上每一个字的份量”。
日内瓦开始的中美大使级会谈是在新中国诞生后五年，也是美国视中国共产党领导下的中华人民共和国为敌人的时间长达五年后，两国政府间的首次外交接触。当时，新生的社会主义中国尚处于被以美国为首的西方资本主义国家所孤立的状态。周恩来以政治家的卓越胆识和外交家的敏锐灵活，及时地捕捉到美国方面通过英国人表示想解决在华侨民及间谍归国问题的机会，使中美双方政府代表坐到了一起。无论其实质性接触的成果如何，这本身就是一次外交上的突破。毛泽东在《论持久战》中指出：“灵活不是妄动，妄动是应该拒绝的。灵活是聪明的指挥员，基于客观情况，‘审时度势’（这个势，包括敌势、我势、地势等项）而采取及时和恰当的处置方法的一种才能”。周思来正因为能审时度势，才在最恰当的时候抓住可以导致中美外交接触的战机而乘势引导，从而促成了中美大使级会谈。在折冲尊俎中，周恩来处处主动，不断将美方的军，使其措手不及，每每处于下风位置。钱学森终被允回国，便是周恩来抓住时机、主动出击的一项重要成果。
