中美發表《上海公報》之後，由於各種原因，中美關係正常化的道路並不平坦。直到1978年5月，卡特政府才最後下決心實現對華關係正常化。
1977年初，美國總統卡特執政後，曾于1977年8月和1978年5月分別派國務卿萬斯和白宮國家安全事務助理布熱津斯基訪華，就中美關係正常化進行磋商。萬斯訪華時，美國政府尚未對接受中國提出的建交三原則下最後決心。布熱津斯基訪華時，卡特政府已決定先與中國建交，再以優勢地位與蘇聯談判，謀求遏制蘇聯的擴張勢頭，增強美國在全球的戰略地位。布熱津斯基訪華時表示，卡特總統已下了決心，在第一屆任期結束前，實現中美關係正常化，還表示美國願意接受中國提出的建交三原則，即美國同台灣當局斷交、終止美臺共同防禦條約、從台灣撤出美國軍隊，但希望在美方作出期待純屬中國內政的台灣問題得到和平解決的表示時，不會明顯地遭到中國的反駁。布熱津斯基宣佈美國已授權其駐華聯絡處主任伍德科克同中方就實現兩國關係正常化問題進行具體談判。
中國方面對布熱津斯基帶來的信息作出了積極的反應。雙方于1978年7月初在北京開始建交談判。台灣問題是談判的關鍵問題，美國方面同意按照中方要求，與台灣斷交、廢約、撤軍。雙方還同意，關於美國授臺武器問題，在建交之後繼續談。
經過近半年的談判，雙方終於達成下述協議：一、美國承認中國關於只有一個中國、台灣是中國的一部分的立場，承認中華人民共和國政府是中國的惟一合法政府，在此範圍內，美國人民將同台灣人民保持文化、商務和其他非官方關係；二、在中美關係正常化之際，美國政府宣佈立即斷絕同台灣的“外交關係”，在1979年4月1日以前從台灣和台灣海峽完全撤出美國軍事力量和軍事設施，並通知台灣當局終止《共同防禦條約》；三、從1979年1月1日起，中美雙方互相承認並建立外交關係，3月1日互派大使，建立大使館。
在這些協議的基礎上，雙方于1978年12月16日晚發表了《中華人民共和國和美利堅合眾國關於建立外交關係的聯合公報》，宣佈兩國商定自1979年1月1日起互相承認並建立外交關係，從而結束了長達30年之久的不正常狀態。這是兩國關係中具有歷史意義的重大轉折，中美關係從此進入了一個新階段。
但是在這次談判中，有些問題並沒有得到解決。美國希望中國只用和平方式解決台灣問題，中國則強調解決台灣問題的方式是中國的內政，不容他人干涉。最後雙方就此各自發表一個聲明。這些懸而未決的問題表明，儘管中美達成建交協議，美國卻沒有完全放棄它干涉中國內政的圖謀。1979年4月10日，美國總統卡特就簽署了由美國國會眾、參兩院通過的《與台灣關係法》，這是違反中美兩國建交公報原則、干涉中國內政的立法，給中美兩國隨後在兩國關係和台灣問題上留下了隱患。
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