1971年春，周恩来根据毛泽东的决策，指示邀请在日本参加第31届世乒赛的美国乒乓球队访华。在松动中美关系方面，中国以民间的形式走出了第一步。从此，中美改善关系的步伐大大加快了。
4月21日，中国通过沉默了几个月的“巴基斯坦渠道”，向美国发出了一个重要口信，指出要从根本上恢复中美关系，必须从中国的台湾海峡地区撤走美国的一切武装力量，而要实现这一点，只有通过两国高级领导人直接商淡，才能找到办法。中国政府重申愿意公开接待美国总统特使如基辛格博士，或美国国务卿甚至美国总统本人来北京进行直接晤谈。美国方面马上作出答复：尼克松表示他本人准备在北京同中国领导人进行直接会谈，并建议由基辛格同周恩来或另一位适当的中国高级官员举行一次秘密预备会谈。中国方面同意这一建议，并于5月26日召开中央政治局会议，专门讨论关于中美会谈的对策。5月29日，经毛泽东亲自批准，中国方面以周恩来名义通过“巴基斯坦渠道”复了一封尼克松认为是“第二次世界大战以后，美国总统收到的最重要的信件”。信中详尽地讨论了邀请尼克松及基辛格访华的具体安排。6月4日，尼克松致信北京，感谢周恩来欢迎他访华，并说“由于时间短促，以及为基辛格博士找个合适的借口”，“建议基辛格博士于7月9日到达中国，于7月11日离开，他将乘巴基斯坦的一架波音飞机从伊斯兰堡直飞北京”。6月11日，周恩来回信同意。至此，中美之间的坚冰开始打破，航线即将开通。
基辛格为这次中国之行作了精心安排和充分准备，并借意大利旅行家马可·波罗几百年前的中国旅行之名，把这次行动取代号名为“波罗一号”。1971年6月30日，美国白宫新闻秘书在他例行的新闻发布会上公布了一个简短的公告，说尼克松将派他的国家安全事务助理基辛格博士于7月2日至5日去越南南方执行一次调查事实的任务。随后基辛格将去巴黎与布鲁斯大使进行磋商。在基辛格前往巴黎途中，他将到泰国、印度和巴基斯坦进行一系列的访问与会谈。
7月8日，基辛格到达巴基斯坦首都伊斯兰堡。当晚，基辛格突然宣布生病，肚痛不止，由叶海亚总统当面邀请他去“山间别墅休息”，避开新闻界的追踪。7月9日中午，载乘着基辛格的飞机降落在北京郊区的南苑军用机场。中共中央军委副主席叶剑英，外交都官员黄华、韩叙、熊向晖等到机场迎接。同时到达的还有先期到巴基斯坦迎接基辛格的章文晋、唐闻生、王海容等人。
与此同时，在伊斯兰堡为基辛格打掩护的伪装行动还正在有条不紊地进行着。基辛格“病情尚未好转，‘需要多休息一天”，一切安排，天衣无缝。
基辛格在北京逗留的48个小时里，同周恩来会谈达17个小时。第一次会谈是在基辛格下榻的钓鱼台国宾馆举行。在这次会谈中，两个世界外交巨擘避开了中美双边关系的棘手问题，集中讨论了一些基本点：各自对全球特别是亚、非的看法；双方的外交目标和两国利益的能接近之点；能够使双方获益的世界均势问题等等。双方商定在巴黎继续保持美中高级联系。会谈中，周恩来寓论辩于说理之中，强调美国必须承认台湾是中国的一个省，美国必须放弃对中国内政的干预，确定撤走驻台美军的期限，并废除美蒋《共同防御条约》。周恩来还批评了美国所谓“体面撤出越南”的论调，强调美国只有彻底、干净地放弃对越南的武装干涉，尊重越南人民自己的历史选择，才能真正体面地和光荣地结束越南战争。会谈进行得并不是很顺利。
就在基辛格秘密前往北京的前3天，尼克松觉得有必要事先阐明同中国接近的理由。于是美国把中国作为一个有着巨大潜力、并且正在上升的世界大国加以接受的明显意图，通过尼克松的一篇重要讲话表示了出来。
7月6日，尼克松飞往堪萨斯城，向一大批代表中西部11个州的新闻机构负责人发表了他的著名的“五极世界”的讲话。尼克松在讲话中认为，在今后5年、10年或许是15年的时候，将会出现“五个强大的超级经济力量，它们是美国、西欧、苏联、大陆中国，当然还有日本”。“这五大力量将决定世界在本世纪最后1／3时间里的经济前途，而且由于经济力量成为其他力量的关键因素，这五大力量将决定世界在本世纪最后1／3时间里在其他方面的前途。”由于中国蕴藏巨大潜力，尼克松认为，美国政府必须首先采取步骤来“结束大陆与世界社会隔绝的状态”。尼克松还很含蓄地暗示：“由于双方采取了相应的步骤，因而还必须很明确、很审慎地采取另外一些步骤。”
由于中美接触一直在极为秘密的情况下进行，尼克松的讲话在堪萨斯城并没有引起人们的高度重视，然而，在北京它却受到极大的注意。尼克松在堪萨斯城话音刚落，讲话全文就一字不差地出现在周恩来手中。在与基辛格会谈时，周恩来还特意发表了他对尼克松讲话的看法，这使基辛格大吃一惊。因为基辛格对此事一无所知！第二天一早，周恩来作过记号的尼克松讲话被送到基辛格手中。
随着两位国务活动大师外交艺术的施展，会谈气氛逐渐活跃起来。用基辛格的话说：“我们各自陈述对世界事务的观点，态度之坦率，即使在盟友之间也是很少能做到的，而内容之深刻，只有在一位伟人面前才会经历得到。”会谈中，基辛格渐渐为周恩来迷人的政治魅力所倾倒。他发现“他对哲学的泛论，历史的分析，策略的试探和轻快的巧辩无不应用自如。他对事实的掌握，特别是对美国情况的了解，十分惊人”。双方经过几个回合争辩交锋，各自对于对方的立场和观点有了更加全面的了解。
毛泽东在听取周恩来关于同基辛格两轮会谈情况的汇报后，批准了联合公报的基本草案。毛泽东还表示，台湾问题并不重要，国际局势才是重要的问题。台湾事小，世界事大。
纲举目张。周恩来、基辛格会谈也由此进入了最后阶段——有关尼克松访华细节安排的讨论。双方迅速达成协议：尼克松访华可以在1972年5月以前进行。双万商定，7月12日，中美两国同时发表关于基辛格访华的联合公报。
7月11日，基辛格一行兴高采烈地飞回巴基斯坦。除了带回即将震动世界的那份联合公告外，飞机上装载了中国人送的中国菜、毛泽东著作英文版及这次访问的照相集锦。
对于整个世界来讲，尼克松和中国新华社同时宣布的中美联合公告，就好像是在一个平静的湖面扔下了一枚炸弹，引起的反应是剧烈的。人们突然醒悟到：中美之间前一阶段所进行的“乒乓外交”远比人们想象得要复杂得多。这犹如梦幻般的公告所表明的北京和华盛顿之间的接近，不仅将对中美两国的关系，中国同联合国以及同世界其他国家的关系产生极其重大而深远的影响，而且对中美苏三角关系的形成也将起到重要的作用。
宣布一位美国总统将访问中国，这在中美关系史上还是第一次。尤其是在两国尚未正式建立外交关系之前，就将实现总统访华，这在外交惯例上是极为罕见的。它标志着自新中国成立以来，中美之间长期存在的敌对关系即将出现根本性的改变。而这必然揭开远东和世界政治新格局的序幕。毫无疑问，中国将从这一事件中得到许多好处。
按照基辛格秘密访华时双方的商定，中美两国在巴黎通过美国驻法使馆武官沃尔特斯将军和中国驻法大使黄镇的直接联系，开辟了一条新的联系和沟通的外交渠道。通过这条渠道，双方频繁接触，广泛地讨论了有关双边关系和其他国际问题。经过多次磋商，基辛格于1971年10月20日公开来华，商定尼克松访华的具体日期和公报草案。
这次基辛格来访的随行人数相当于尼克松总统访问的全部人马，并乘坐从未在中国领空飞行过的美总统专机沿着尼克松访问预定的航线试飞。基辛格把这次访华行动的代号定为“波罗二号”。当时周恩来正忙于处理林彪叛逃事件。10月17日，外交部拟出接待方案，对当时的国际形势作了充分估计，提出对国际问题和双边关系会谈的方针和立场，决定仍按基辛格秘密来访时的规格接待，但予以公开报道。同时应美方的要求，安排各类人员的对口会谈和活动计划。经周恩来亲自修改后，呈报毛泽东。10月19日，毛泽东批示：基本同意。
10月20日下午，周恩来在人民大会堂接见了美方全体来访人员。随后双方举行了第一次会谈，顺利地商定了会谈议程和方式，基辛格甚为满意。会后，周恩来设宴招待全体来宾，并热情洋溢地即兴祝词表示欢迎。
自10月21日起，双方进行分组会谈，周恩来同基辛格谈实质问题。美国国务院代表艾尔弗雷德·詹金斯与总理助理熊向晖谈一般关系问题。于桑同美方进行保卫0通讯等技术问题会谈，双方专家参加。
周恩来同基辛格共进行了10次会谈，5次谈形势政策，5次谈联合公报。双方商定总统访华日期定于1972年2月21日。关于联合公报，在此之前美方并未提出过，中方没有准备。而基辛格要求他这次离华前对公报达成一个总的谅解，以使他回国有个交待。10月22日下午会谈时，美国提出了尼克松访华的联合公报草案。这个草案长达3000字，包括访问情况、两国关系的一般原则、对国际形势的看法和台湾问题四个部分；是按老一套格调起草的。其中强调一些含糊其词的共同点，而用一些陈词滥调掩盖双方分歧。特别是在台湾问题上有意避而不谈美国撤军问题，反而要中方承诺只用和平方式解决台湾问题。周恩来对此草案很不满意，并指示章文晋起草对案。双方几经讨论修改，美方愿意接受中方的写法，就是既说明共同点又各自说明自己的立场。但在台湾问题上，双方不能达成一致意见。基辛格最后用了一句巧妙的提法，即“美国认识到，在台湾海峡两边的所有中国人都认为只有一个中国，台湾是中国的一部分。美国对这一立场不持异议”。而且美方一再坚持要中国承诺放弃武力解放台湾的权利，并不明确表示从台湾撤走美国军事力量的时间。中方很不满意，只好留待尼克松来华时再行商讨。10月26日，基辛格动身返国。
基辛格第二次访华，双方迅速就尼克松访华具体日期和联合公报的主要内容达成了协议。这就为次年2月尼克松访华铺平了道路。