椎名此行，原準備向蔣介石遞交田中的親筆信，信函的主要內容是感謝蔣介石在戰後對日本的深切理解，“並提及中華民國政府與中共政權既然都堅持中國隻有一個的立場，日本與中共關係正常化之後，便無法維持台日之間的外交關係，請予原諒。如中華民國政府無特別異議，日本政府希望經由民間交流，盡可能維持貿易、經濟等實質關係。”[66]但既然蔣介石避而不見，他隻好耐著性子托蔣經國轉交。
蔣介石閱信後勃然大怒，複信說：
9月13日惠函奉悉。承示各節，難安緘默。願為閣下一坦述之。中共之欲赤化亞洲及全世界，乃盡人皆知之事，貴國與中共建交，在經濟上又無近利可期，不知究何所圖，而亟亟於背信、絕義，引狼揖盜如此？“中日兩國”關係密切，自東漢中葉以來，曆二千年，交往稠疊，誼同兄弟。
中國毫無絲毫有負於日本，反觀，貴國之對中國，遠者元明之際無論矣，即近者言沈陽事變，及八年抗戰，日本所加於中國之創痛，不可謂不深。
而戰後中華民國對日本之信任，不可謂不堅，親仁善鄰，春秋之義。本人關懷日本，與人為善，五十年如一日。無他，視貴國如弟昆，求兩國之共榮而已。若貴國竟與壓迫大陸人民暴力政權建交，是與全中國人民為敵。
竊為貴國所不取也。[67]
9月20日，中日雙方同時發表關於田中首相訪華的公報，兩國領導人會晤的各項準備已全部就緒。25日上午，日本國首相田中角榮、外相大平正芳、內閣官房長官二階堂進等飛抵北京。周恩來、葉劍英、郭沫若等到機場迎接。這是戰後日本首相首次訪華。
當天下午，雙方進行了第一次首腦會談。事後，二階堂進向記者團說：雙方“驚人直率地交換了意見”。晚上，在為田中首相舉行的歡迎宴會上，周恩來發表祝酒詞，稱讚田中訪華“揭開了中日關係史上新的一頁”。同時指出：“自從1894年以來的半個世紀中，由於日本軍國主義者侵略中國，使得中國人民遭受重大災難，日本人民也深受其害。前事不忘，後事之師，這樣的經驗教訓，我們應該牢牢記住。”又說：田中首相就任以後，在中日雙方的共同努力下，“實現兩國邦交正常化已經有了良好的基礎。促進中日友好，恢複中日邦交，是中日兩國人民的共同願望。現在是我們完成這一曆史性任務的時候了”。[68]田中在致詞中說：“過去幾十年之間，日中關係經曆了不幸的過程。其間，我國給中國國民添了很大的麻煩，我對此再次表示深刻的反省之意。”
此後，中日雙方進行了多輪首腦會議，就以下三個方麵進行了爭論和磋商：
（1）“麻煩”問題。周恩來在會議上直率地提出：田中首相對過去的不幸過程感到遺憾，並表示要深深地反省，這是我們能夠接受的。但是，“添了很大的麻煩”這一句話，引起了中國人民強烈的反感，因為普通的事情也可以說是“添麻煩”。[69]田中對此解釋說，從日文來講，“添麻煩”是誠心誠意地表示謝罪之意，並且包含著保證以後不重犯、請求原諒的意思。在這一天的晚些時候，毛澤東在會見田中時，也問到“麻煩”的問題。田中表示，日方準備按中國的習慣來改。
（2）日台關係問題。田中來華前，在公開場合曾多次表示“充分理解”中方關於複交三原則，但出於國內政治上的原因，日方始終沒有對三原則之一的“《日台條約》是非法的、無效的，應予廢除”作出承諾。會談中，日方提出希望對他們國內的處境和困難給予照顧。因此，中方同意在聯合聲明中不提《日台條約》，而由日方在另外場合聲明：作為日中邦交正常化的結果，《日台條約》宣告結束。這樣，剩下的問題就是日方在什麼時候作此聲明了。27日，周恩來在同田中、大平會談時當麵問道：從聯合聲明公布之日起，兩國就建交了，雙方互換大使需要多少時間？這句話實際是問日方何時采取廢除《日台條約》的具體行動。大平明確回答：“我們有決心盡快采取必要的措施。”
周恩來表示滿意。在次日的會談中，周恩來用中文寫下“言必信，行必果”六字交給田中，田中也寫下日本舊憲法裏的一句話“信為萬事之本”交給周恩來。中日雙方表明了相互信任的態度。