中美发表《上海公报》之后，由于各种原因，中美关系正常化的道路并不平坦。直到1978年5月，卡特政府才最后下决心实现对华关系正常化。
1977年初，美国总统卡特执政后，曾于1977年8月和1978年5月分别派国务卿万斯和白宫国家安全事务助理布热津斯基访华，就中美关系正常化进行磋商。万斯访华时，美国政府尚未对接受中国提出的建交三原则下最后决心。布热津斯基访华时，卡特政府已决定先与中国建交，再以优势地位与苏联谈判，谋求遏制苏联的扩张势头，增强美国在全球的战略地位。布热津斯基访华时表示，卡特总统已下了决心，在第一届任期结束前，实现中美关系正常化，还表示美国愿意接受中国提出的建交三原则，即美国同台湾当局断交、终止美台共同防御条约、从台湾撤出美国军队，但希望在美方作出期待纯属中国内政的台湾问题得到和平解决的表示时，不会明显地遭到中国的反驳。布热津斯基宣布美国已授权其驻华联络处主任伍德科克同中方就实现两国关系正常化问题进行具体谈判。
中国方面对布热津斯基带来的信息作出了积极的反应。双方于1978年7月初在北京开始建交谈判。台湾问题是谈判的关键问题，美国方面同意按照中方要求，与台湾断交、废约、撤军。双方还同意，关于美国授台武器问题，在建交之后继续谈。
经过近半年的谈判，双方终于达成下述协议：一、美国承认中国关于只有一个中国、台湾是中国的一部分的立场，承认中华人民共和国政府是中国的惟一合法政府，在此范围内，美国人民将同台湾人民保持文化、商务和其他非官方关系；二、在中美关系正常化之际，美国政府宣布立即断绝同台湾的“外交关系”，在1979年4月1日以前从台湾和台湾海峡完全撤出美国军事力量和军事设施，并通知台湾当局终止《共同防御条约》；三、从1979年1月1日起，中美双方互相承认并建立外交关系，3月1日互派大使，建立大使馆。
在这些协议的基础上，双方于1978年12月16日晚发表了《中华人民共和国和美利坚合众国关于建立外交关系的联合公报》，宣布两国商定自1979年1月1日起互相承认并建立外交关系，从而结束了长达30年之久的不正常状态。这是两国关系中具有历史意义的重大转折，中美关系从此进入了一个新阶段。
但是在这次谈判中，有些问题并没有得到解决。美国希望中国只用和平方式解决台湾问题，中国则强调解决台湾问题的方式是中国的内政，不容他人干涉。最后双方就此各自发表一个声明。这些悬而未决的问题表明，尽管中美达成建交协议，美国却没有完全放弃它干涉中国内政的图谋。1979年4月10日，美国总统卡特就签署了由美国国会众、参两院通过的《与台湾关系法》，这是违反中美两国建交公报原则、干涉中国内政的立法，给中美两国随后在两国关系和台湾问题上留下了隐患。
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