1955年4月，王炳南出任中国驻波兰特命全权大使。7月底的一天，王炳南收到中国外交部的一份电报，说美国通过英国方面的斡旋，向我建议举行中美大使级会谈。几天后。他接到了中国外交部关于要他担任中美大使级会谈中方首席代表的正式通知。
　　中美大使级会谈的消息一公布，整个世界为之震惊。
　　
　　艰难的第一阶段
　　
　　对于会谈的议程和所要达到的目的，一开始双方就有很大的距离和分歧。我方认为会谈应着重讨论台湾问题及安排杜勒斯国务卿和周恩来总理的直接会谈和建立两国的文化联系等实质性问题。美国则只想先要回扣押在中国的美国人，并要求中国保证不对台湾使用武力。实际上会谈中最尖锐、最突出、最棘手、最不可调和的问题就是台湾问题。最后为方便会谈先开起来，我方同意先谈遣返侨民问题。
　　会谈地点选在日内瓦，定于8月1日下午在国联大厦一个小会议厅举行。美国首席代表是约翰逊。
　　第一次会谈比较顺利，气氛是轻松愉快的。第二次会谈只进行了1个小时就结束了，双方提出了遣侨名单。王炳南提出的名单中就有钱学森的名字。但会谈进行到遣返侨民问题时，反反复复进行了多次却无积极成果。会谈进行了11轮后，到了8月底，会谈从每周举行3次减少到1次。会谈形成程式化，双方轮流照本宣科，互不用语言攻击对方。
　　根据周总理的指示，王炳南大胆地同约翰逊私下接触。约翰逊也取得杜勒斯的同意，也和王炳南进行个人交往。于是出现了有意思的情况，他们在会谈桌上非常严谨，各自守住一条防线不放，会下却常有些友好的私人交往。在正式场合不便说的话，私下可以磋商，交换看法，摸摸底，甚至还可能有点突破。在会谈僵持不下时，为了缓和一下气氛，有时就互相邀请吃饭。另外，王炳南从华沙去日内瓦，中途在捷克斯洛伐克首都布拉格换乘飞机时，也常常和约翰逊相遇，同坐一架飞机，回来时也一样。有时因天气不好，飞机不能起飞，他们还被安排在同一家旅馆住宿。王炳南和约翰逊好像成了一对旅途伙伴。
　　40天之后，由于我方作了一些适当的让步，从而使原地踏步不前的会谈有了进展。中美双方终于在9月10日的会谈中达成了一个协议：“中华人民共和国(美利坚合众国)承认在中华人民共和国的美国人愿意返回美利坚合众国者(承认在美利坚合众国的中国人愿意返回中华人民共和国者)，享有返回的权利，并宣布已经采取、且将继续采取适当措施，使他们能够尽快行使其返回的权利。”
　　不难看出，这是在互不承认的情况下，处心积虑搞出来的一份奇怪的联合公报。在公报中既要体现互不承认，又要体现双方的一种共同意见，还要体现双方的联系，于是就别出心裁，搞了这么一个各说各的“杰作”，叫作“协议声明”。70年代尼克松和周总理达成协议发表的上海公报也仿效了这种形式。这份协议同时也是1972年上海公报发表前唯一的一份中美之间达成的正式协议。至此，关于遣返侨民问题暂告一个段落。
　　
　　涉及台湾　会谈中断
　　
　　1955年9月20日会谈开始进入第二阶段。王炳南坚持讨论第二项议题，即台湾问题和周恩来总理与杜勒斯直接会谈等实质性问题。为此，双方争执不下。会谈进行了一年，常常是互读一遍发言稿，确定下一次会谈日期后即散会。
　　王炳南对会谈几乎不抱任何希望了，但周总理却在运筹帷幄中促进会谈的进展。1956年8月，中国政府单方面宣布取消不让美国记者进入中国的禁令，而且向美国15个重要的新闻机构拍发电报，邀请他们派记者来华作为期一个月的访问。这犹如一声惊雷，全世界为之一震，特别是美国新闻界和国务院。中国的决定无疑是给美国政府出了一道难题，新闻界接到邀请的记者纷纷向美国国务院提出访华申请。杜勒斯在这种强大压力下，尽管拖了一年时间，但是到1957年8月还是不得不宣布，美国将准许24个新闻机构派遣记者到中国访问。
　　但接下来的会谈中，美方仍然一而再、再而三地在文字上做戏，企图无限期拖延。到了12月12日第73次的会谈中，约翰逊宣布自己将撤出会谈，指定他的副手埃德·马丁接替。王炳南对这种把大使换成参赞，企图使会谈降级的无理做法，坚决不能同意。王炳南表示我们愿意谈判，并积极争取成果，但是如果美国不愿意，我们也可以中止谈判。就这样中美大使级会谈便中断了一年。
　　“牛皮糖”会谈前后一百次
　　艾森豪威尔执政后，一方面在中东地区制造紧张局势，另一方面扩大对中国的威胁，派出大批军舰、飞机，加强在台湾地区活动的第七舰队，公然对中国进行战争挑衅，因而使台湾海峡地区局势紧张起来。毛泽东为严惩蒋介石集团的猖狂活动，打击美国的嚣张气焰，命令人民解放军从1958年8月23日起对金门、马祖等岛屿进行惩罚性的炮击，炮火十分猛烈。美蒋为了应付局面，拼命在这里集结兵力。
　　9月6日，周总理发表公开声明，一是重申中国要解放台、澎的决心，警告美国若要挑起战争将负责全部后果；二是倡议恢复被美国单方面中断的中美大使级会谈。当天美国政府表示欢迎这个建议。
　　王炳南在返回华沙前，毛泽东特意接见了他，叮嘱他会谈中应注意的事项。毛主席告诉他，在同美国人的会谈中，要多用一种劝说的方法，譬如说：你们美国是一个大国，我们中国也不小，你们何必为了仅仅不到一千万人口的台湾岛屿与六亿中国人民为敌呢?你们现在的做法究竟对美国有什么好处呢?毛主席还谆谆告诫王炳南在会谈中要多用脑子、谦虚谨慎，说话时对美国人不要使用像板门店谈判那样过分刺激的语言，不要伤害美国人民的感情，中国和美国都是伟大的民族，应该和好。
　　1958年9月15日，中美大使级会谈在华沙复会。美国政府指派美国驻波兰大使雅各布·比姆作为重开谈判的代表。会谈仍是马拉松式地进行着，到1960年9月6日已经谈了100次。
　　1960年底肯尼迪上台后，中美会谈仍像一块无法推动的巨石，毫无进展。1962年3月，美国派驻巴西大使卡伯特作为会谈代表。这是与王炳南会谈的第三任大使。这个时期，台湾蒋介石集团又掀起“反攻大陆”的恶浪，局势十分紧张。
　　1962年6月23日，王炳南邀请卡伯特到他的官邸来喝茶，随便聊天。卡伯特有说有笑，边进茶点边聊天，不拘礼节，显示出一副毫不在乎的神态。王炳南先谈了东南亚的局势，表示中国政府为此担心，然后着重说中国政府还要提请美国政府注意台湾海峡的紧张局势。这时卡伯特的神情突然严肃起来，听得很认真。在王炳南特意反复谈及美国政府在蒋介石准备反攻大陆的背后所起的作用时，卡伯特显得有些紧张。王炳南进一步说，中国人民同蒋介石打过几十年的交道，完全懂得怎样对付他。中国政府必须指出，美国政府是在玩火，美国政府必须对蒋介石冒险行动和由此而产生的一切严重后果负完全责任。最后王炳南以警告的口吻说，可以断定，蒋介石冒犯大陆之日，就是中国人民解放台湾之时!鉴于局势的严重性，他请卡伯特立即把情况报告美国政府。卡伯特表示很欣赏王炳南的坦率精神，并爽快地说，在目前情况下，美国决不会支持蒋介石发动对中国大陆的进攻。蒋介石对美国承担了义务，未经美国同意，蒋介石不得对中国大陆发动进攻。在分手时卡伯特甚至说，如果蒋介石要行动，我们两家联合起来制止他。卡伯特这个明确表态，达到了王炳南的目的。这个重要情况直接关系到党中央对福建前线战略部署的制定，王炳南立刻报告了国内。事后，中央一些领导同志对他及时摸到了情报、了解了美国的态度，十分满意。
　　王炳南于1964年奉调回国。在长达9年的会谈中，王炳南与美方进行了针锋相对的斗争，挫败了它在台湾问题上的种种阴谋。他还在谈判中同法国方面的人士作了广泛而深入的接触，从而促成中法正式建交。毛主席赞扬说：“炳南在谈判中打破了他们的篱笆墙，拉过来一个法国，有功呀!”
　　1979年，在新中国成立30年后，中美两国正式建交。王炳南首次访问美国，他在美国会见了中美大使会谈中的三位美方代表，他们亲切地握手，谈笑风生，气氛热烈。他们一致认为中美关系能有今天，同过去的中美大使级会谈是分不开的。