当宋子文、宋美龄在西安与张学良、杨虎城、周恩来等协商放蒋时，1936年12月23日上午，国民党中央常委会再一次召开，决定以林森代理国民党中央政治会议主席，补选居正为中央常务委员，并兼代中央常务委员会副主席。随后召开中央政治会议，以林森为主席。24日上午，蒋鼎文、戴笠返回洛阳的消息传到南京，南京各大员认为解决西安事变已成功在望。25日下午，蒋介石在张学良陪同下回到洛阳，消息传到南京以后，“一时全城欢欣若狂，爆竹声深夜未止。人人欢跃，面有喜色”。26日中午12时，蒋介石在欢迎人群的欢呼声中走下飞机，“腿两部行动时，似不自如，幸精神尚健旺”。“明故宫机场人山人海，热烈欢迎。下午5时委座召集训话，叙事变经过，与本人态度始终表示不屈之精神，听者无不感动，至于泪下。”有趣的是，当洛阳、南京举行盛大欢迎会欢迎蒋介石安全归来的同时，西安也举行了盛大庆祝会。陈公博回忆说：“蒋先生离陕的那夜，说张杨服从蒋先生的命令了。然而西安那夜也全城放鞭炮，警察也一样的拍老百姓的门叫放鞭炮，说蒋先生服从张杨的主张了。”
经过“西安事变”十几天的折腾，陈果夫感慨颇多：一是他认为人民的觉悟已达到相当的程度，而各地军政长官之觉悟程度相差甚远；二是青年运动最难处理，有主张搞的，有主张禁止的；陈果夫自认为有计划、有组织地搞青年运动，会有好处，但具体办，怎样适度，很难掌握；三是不要轻易负责任，在事变期间，有许多人对陈说：“你的责任重大”，“此事你要做点主”，“你要负起责任，然后才有办法”之类的话。陈果夫认为，对说这些话的人要留心，因为乱子很多就是这些人引起来的。
12月27日早9时，陈果夫乘车返镇江，“到时镇江民众正从体育场出发，秩序井然，甚为欣慰。有许多小孩，闻委座出险，莫不发狂打跳，大人则跳跃一如儿童”。28日晚，陈回到南京。29日上午，南京召开会议，取消所有的讨伐案和讨伐会。蒋介石以西安事变虽为张学良所发动，但他本人为全国最高统帅，应负失察之责为由，向国民党中常会提出辞职。国民党中常会立即通过一个挽留决议，并由国民党全体中常委前往蒋的寓所，当面挽留。蒋介石坚决请求辞职，最后中常会准给蒋一个月的假，回老家休息。12月31日陈果夫也返回了江苏省政府所在地镇江。至此，惊动一时的西安事变结束。
西安事变发生以后，陈果夫、陈立夫积极主张讨伐张学良、杨虎城，以武力解决西安事变，救出蒋介石。在这一点上，二陈的态度与何应钦是一致的。
然而，何应钦坚决主张讨伐却另有隐衷，他想趁机置蒋介石于死地，而以自己取代蒋介石的位置，何应钦在戴季陶、居正、吴稚晖、叶楚伦、陈果夫、陈立夫等人支持下，就任讨逆军总司令，部署对西安的讨伐行动，并派出大批空军轰炸西安。
不料西安事变竟和平解决了。在蒋介石接受了联共抗日、释放政治犯、担保内战不再发生等条件后，张、杨释放了蒋介石。
12月26日，蒋介石回到南京。刚开始，蒋介石还表扬了二陈，认为他们在西安事变问题上的主张和态度是正确的。但不久，二陈就因在事变中支持何应钦而遭蒋介石的指责了。
蒋介石、宋美龄、陈布雷等以宋美龄的名义，合伙炮制了《西安事变回忆录》，大大地讽刺了何应钦、戴季陶、陈果夫、陈立夫等武力讨伐派。
但二陈毕竟是蒋的亲信，虽然在西安事变中站错了队，蒋介石还是让他们为自己做事。西安事变后，国共双方的谈判仍由陈立夫主持。
西安事变虽然迫使蒋介石停止了内战，并坐下来与共产党谈判，但蒋介石却不肯根本放弃中共必须解除武装，放弃共产主义信仰的方针。陈立夫由于在西安事变中站错了队，挨了蒋介石的骂，这时就不得不更加跟紧蒋介石，以弥补西安事变中的错误了。
1937年5月，国共双方在南京谈判。陈立夫即指示参加谈判的国民党代表张冲、康泽：
“第一，关于边区辖境问题，委员长说过，多划一两县，少划一两县，没有多大关系；第二，关于边区隶属问题，不给它隶属于行政院，要它隶属于陕西省政府，不然，他们就要直接找行政院的麻烦；第三，关于边区主任的人选问题，要求他们在于右任、张继、宋子文三人中择一任命；第四，释放政治犯问题，就是要他们开名单，等他们开来后，我们借口向全国调查，可以任意拖时间；第五，关于办报问题，这不能准他们。
陈立夫的这些指示，根本不敢超出蒋介石限定的范围。
但抗战全面爆发后，在民族危亡的紧急关头，二陈都主张抗战。为了抗战，二陈都希望国共两党能尽快实现合作，以动员全国人力物力投入到抗战中去。
1937年8月，中共代表博古、叶剑英与国民党代表康泽、张冲在南京谈判。谈判期间，陈立夫虽没有公开露面，但每一次谈判前，陈立夫都要召见康泽、张冲两人，指示意见；每一次谈判后，也要康泽、张冲汇报情况。在陈立夫的指示下，康泽、张冲等在《中共中央为公布国共合作宣言》稿上签了字，同意了中共所提出的政治主张。
9月22日，国民党中央通讯社发表了《中共中央为公布国共合作宣言》。第二天，蒋介石也发表了对中国共产党宣言的谈话。这标志着国共两党第二次合作的正式形成。
陈立夫主持的国共秘密谈判终于有了一个好的结果。
