這時，中日友協副秘書長、原駐東京聯絡處首席代表孫平化正率團在東京訪問。周恩來指示孫平化抓住時機，當麵向田中首相轉達他本人對田中訪華的邀請，並且傳話：“隻要田中首相能到北京當麵談，一切問題都好商量。”16日，周恩來會見日本社會黨副委員長、眾議員佐佐木更三時進一步提出：如果現任首相、外相或其他大臣來華談恢複日中邦交問題，北京機場準備向他們開放。按照周恩來的囑咐，孫平化在7月22日先向日本外相大平正芳轉達了中方的邀請。田中政府經過研究，在8月11日把田中首相訪華的決定轉告中方。周恩來接到報告，立刻授權姬鵬飛外長發表聲明，宣布中國總理歡迎並邀請田中首相訪華，就中日邦交正常化問題進行談判。15日，田中接見在東京的孫平化，正式接受了中方的邀請。由此，中日實現邦交正常化的前景已經明朗。
在這期間，周恩來雖已發現身患癌症，但為了準備中日兩國領導人的會談，仍事必躬親，晝夜操勞。當年參與準備工作的外交部長姬鵬飛回憶說：
“總理指定我、喬冠華、廖承誌、韓念龍等人組成日本組。總理白天接見外賓，那時到中國訪問的日本朋友特別多，夜晚將我們找到西花廳或釣魚台開會研究中日建交問題，或帶我們一起到中南海毛主席住處開會，向主席彙報。在主席那裏決定了大政方針後，回來總理又同我們一起研究、安排，事無巨細，總理都一一過問，一一想到。他常說：‘外交授權有限’，‘外交無小事’。這時他已是74歲的高齡，並已查明身患癌症。他就是這樣帶病工作，每天工作十幾個小時甚至20個小時。”
這些感人的情節，當時幾乎都毫不為外人所知。
解決中日之間邦交正常化，也存在一個台灣問題。所不同的是，中日兩國領導人準備通過會談一次性地解決這個首要問題，也就是日本承認中華人民共和國政府是代表中國的唯一合法政府，雙方建立正式外交關係；同時日方斷絕同台灣蔣介石集團的官方關係，包括廢除所謂“日台條約”。由此，周恩來一直密切地關注日方對台灣問題的態度，連某些提法的微妙差別也親自過問。
7月下旬，孫平化向日方轉達中方邀請後不久，周恩來再次會見日本公明黨領袖竹入義勝。會談中，周恩來直截了當地提出：現在發生了一個具體問題，田中內閣承認中華人民共和國政府是代表中國的唯一正統政府，我們對“正統”二字不太理解。我們所說的是中華人民共和國政府是代表全中國人民的唯一合法政府。“合法”的反義詞是“非法”。因為蔣介石被推翻了，所以它是非法的。去年聯合國恢複了中華人民共和國的合法權利，把蔣介石集團趕出去了，也就是說，國際組織也承認中華人民共和國政府是合法的，蔣介石政府是非法的。我為什麼要問“正統”這個詞的意思呢？因為漢語中有“正統”還有“偏安”。
在講述了中國曆史上的情況後，他問道：我不知道田中政府中的法律專家講的“正統”是否有別的意思？針對《東京新聞》所傳日外務省官員宣稱“日台條約已經解決了結束戰爭問題”的說法，周恩來指出：締結“日台條約”時，中華人民共和國已經成立了。這個條約根本無視中國的存在，同一個逃到台灣的蔣政權締結結束戰爭狀態，是非法的、無效的，是應當廢除的。關於中日聯合聲明問題，周恩來表示，中方將堅持把結束戰爭狀態和複交三原則兩個問題寫入聯合聲明。竹入當場記錄下周恩來的意見，表示將帶回去向田中首相、大平外相報告。