国共双方经过43天艰苦复杂和曲折的谈判，除人民军队和解放区政权问题未能谈妥外，其他事项大体有了“共识”，并于10月10日正式签署会谈纪要(即“双十协定”)。
10月11日，继续由张治中亲自陪同，护送毛泽东飞返延安。这就是张治中二到延安。
如果说张治中第一次到延安，由于时间紧迫，未能好好体验延安的风土人情，那么他第二次到延安，感受可就深刻多了。他事后回忆说：“下飞机时，机场黑压压地站满了人。干部、群众、学生，男的、女的、老的、少的，在他们的表情里，充分流露出对共产党领袖最大的欢悦和关切。那种情形，真叫人看了感动!”
为了答谢张治中连续两次亲临延安迎送毛泽东的深情厚谊，当晚，在延安举办了一次盛大的欢迎宴会，会上宾主尽欢。这一次，毛泽东也礼尚往来，亲自陪同张治中到机场为他送行。临别，毛泽东还当面对张说：“你为和平奔走是有诚意的。”
“双十协定”虽经国共双方代表郑重签字，但墨迹未干，蒋介石就于当月13日向其下属秘密颁发了针对共产党的所谓“剿匪手册”，从而引发全国各地国共双方摩擦不断。即使后来双方又在重庆举行了全国政协会议和签署了停战协定，以及中共为顾全大局一再克制退让，但双方冲突仍有增无减，甚至愈演愈烈。随后，只好由双方代表周恩来、张治中加上美方代表马歇尔组成最高三人小组，下辖军事调处执行部，专门研究双方军队整编和监督并处理停火事宜。
紧接着，这个最高三人军事小组乘专机分赴北平、张家口、集宁、归绥、太原、济南、新乡、徐州、武汉、延安等地作了一次监督停火的巡回检查。
这一次，张治中为了执行国共双方的停火协定，于3月初第三次来到延安。毛泽东仍以礼相待，亲到机场迎接。当晚，在延安还举行欢迎晚会。席间，张治中发表了一通祈望国共双方都能切实遵守停战协定的言词，末了他还向在座朋友们说了一句意味深长的话：“你们将来写历史的时候，不要忘记张治中三到延安这一笔!”毛泽东接过他的话音回应说：“将来也许你还要四到延安，怎么只说三到延安呢?”
解救护送 我党同志
1945年10月间，张治中奉命赴新疆处理伊犁等地暴乱事宜。周恩来得知后，即偕同邓颖超亲往桂园访晤张治中，并向他提出要求：“我们有一批同志在抗战期间被盛世才(新疆反动军阀)逮捕，至今生死不明。释放政治犯是写入“双十协定”的，你到新疆，务请设法将他们放出来。新疆情况很复杂，回内地路途又很遥远，请你派人将他们送回延安。你到迪化(即乌鲁木齐)后，请先调查一下，几个重要人物如陈潭秋(中共一大代表)、毛泽民、林路基还在不在?听说他们处境很坏，生活很苦，务请先改善一下。这里头有杨之华(瞿秋白夫人)，你是认识的，你可和她联系，了解情况。”张治中听后慨然答应相帮。
不幸的是，周恩来所提到的陈潭秋、毛泽民、林路基3位同志已于1943年9月被盛世才秘密杀害。张治中到迪化后，即派屈武与杨之华取得联系，并了解相关情况。
