陈毅在开幕会议上作了18分钟的讲话，阐明中国政府原则立尝观点和主张，指出老挝的内部问题必须而且只能由老挝人民自己解决；老挝问题的国际方面则是创造必要的国际条件，使老挝人民真正能够在不受外来干涉的情况下实现自己解决内部事务的愿望。他还提出：“我们希望美国代表能够认真地同大家一起，寻求和平解决老挝问题的途径。”
第二天，报纸纷纷发表评论认为，陈毅外长的发言是“积极的”、“得体的”、“和解的”。腊斯克在第二天发言中打出“中立定义”这张牌，说中立定义“必须超出不结盟的经典的概念”，说穿了就是要实现与美国结盟的老挝右派上台当政的“中立”。陈毅毫不客气，在第二次发言中即引用杜勒斯过去说过的“中立是不道德”的名言，回敬腊斯克，指出腊斯克的中立定义实质还是干涉侵略，“如果这也叫中立的话，那只能是一种强加于人的不道德的中立。”
腊斯克的“中立定义”销路不好，连英国、法国也不表赞成。腊斯克又输了第二个回合。
腊斯克又主张在老挝“发展有效的国际机构”，国际监督机构可以充分往来老挝全国各地，无需取得老挝任何全国性或地方性文武官员的同意；这种国际监督机构可以裁编者挝的军队。陈毅尖锐指出：美国设想的这种国际监督机构，是要把老挝置于国际共管之下，而不是在尊重老挝独立的基础上维护老挝的中立。在讨论国际监督机构的职权时，必须尊重老挝的独立和主权。
腊斯克还主张对老挝的经济技术援助由这一地区的中立国家来管理。陈毅明确指出：首先是者挝行使主权、独立自主地接受外援的问题，应根据主权和平等的原则由老挝王国政府同有关国家进行双边协商，而不应由任何国际机构来管理。
为了保证老挝的中立并为此进行必要的国际监督，苏联代表团在和中国代表团一再磋商后提出了《关于老挝中立的宣言》等两个草案。陈毅在5月24日的会议上说：中国赞成苏联的建议，因为它是以1954年日内瓦协议为基础的，是划清了老挝问题的国际方面和国内方面的界限的，是符合老挝人民要求和平、独立和中立的愿望的。
然而，会议进展困难重重。从5月末起，由于美国几次三番在老挝战场停火问题上无理取闹，由于老挝左中右三方迟迟未达成协议，会议时开时断，陷入踏步不前的僵持状态。美、英、苏、法外长都相继将会议工作交给副手，离日内瓦回国了，只有陈毅仍住在市郊“花山别墅”，积极活动，开展工作。
最重要的事莫过于同北京保持联系。陈毅熟悉毛泽东、周恩来夜间工作的习惯，因此他尽可能在每日上午听情况，写报告，以便在北京时间午夜前后送到中央领导人手里，第二天日内瓦中午之前，便可收到复电。陈毅所筹划设计的一切重要行动，都严守外交纪律，及时报告请示。但在中央授权的范围之内，他又很撤得开，能抓住机会，迅速反应。会议间歇时，或四处造访，或接见记者，或广邀来客，坦率交谈，结识了不少朋友。
英国外交大臣霍姆勋爵与陈毅多次互访、晤谈，有时融洽，有时也有分歧。一次霍姆就中国向非洲“渗透”问题提出看法说：“为什么你们不能够不管别人，而专心致力于国内繁重的建设任务呢？”陈毅坦率他说：“你们西方人的毛病，就在于你们总是从个人的一生出发来思考问题，而我们却认为这过于狭窄。”事隔多年，霍姆仍称陈毅为“一个有用的朋友”（见《霍姆回忆录》）陈毅的朋友还有很多，他与英国代表团代理团长麦克唐纳谈文学、鸟类和陶器，与英籍女作家韩素音谈四川者家，与印度外长梅农共赏中国佳肴……美国《先驱论坛报》记者沃尔德评论说：“英国代表们发现他（指陈毅）比许多苏联官员要通人情……他的收获是得到尊重。”
6月初，美苏两国首脑在维也纳举行会议，日内瓦会议休会。许多国家引颈翘首，等待肯尼迪与赫鲁晓夫会谈结果。陈毅向中国代表团新闻发言人吴冷西谈到中国的态度，说美苏改善关系并非坏事，只要真正有利于建立和平的国际环境，有何不可？问题在于不能把老挝作为大国交易中的筹码，任意摆布，老挝人民的命运应由老挝人民自己决定。后来的消息证明，维也纳会谈未就任何实质性问题达成协议。
与此同时，陈毅却力争主动。他广泛开展会外活动，促成老挝富马、苏发努冯和文翁3亲王会晤。
美国多次阻挠此事，先是指使文翁不来瑞士，来后又要他拒绝和苏发努冯会晤。陈毅以坚持不渝的耐性，多次与西哈努克亲王、法国和印度代表磋商，多方推进，终于取得3亲王在苏黎世会晤的成功，并就老挝内部问题达成了原则协议。既然如此，会议就再没有理由不进入实质性讨论了。
美国仍不甘心，又在会上抛出一个新草案，要由国际监督委员会来全面管制老挝的外交、内政、军事、经济。陈毅在会议第五次发言中揭露这是“利用保护之名实行强占之实”。然而，达成协议的道路何在？在结束此次发言时，陈毅本着求同存异精神，综合归纳了开会以来各代表中所有可取意见，取其精髓，列出了4个方面的共同点，也即求出了各国发言的“最大公约数”，表现了灵活的策略思想及平等协商、寻求协议的精神，从而一扫40多天来会议步履艰难、众说纷坛、莫衷一是的沉闷、混乱以至悲观的空气。
至此，会议开始协议具体条款的谈判，前面还有一段漫长艰辛的路要走，会议将进入拖而不断，无大文章可做的状态。陈毅请示中央之后决定暂离日内瓦回国，将代表团工作留给副外长章汉夫及部长助理乔冠华去做。
临行前，陈毅参加了一次富马亲王和苏发努冯亲王举行的鸡尾酒会，遇见了美国代表团代理团长哈里曼。哈里曼年届70，人称美国外交界“不落的明星”。他虽反共，但不赞成杜勒斯“遏制”中国的死硬政策，并提出过访问中国的申请。此番来日内瓦，他做出一些较为积极开明的姿态。酒会上，他想和陈毅搭上话，先与中国王炳南大使搭话，又让夫人与中国女工作人员搭话，最后，由加拿大代表朗宁介绍，主动向陈毅伸出右手。两只手刚一握住，记者们便纷纷抢下这一有历史意义的镜头。“美国政治家主动和中国政治家握了手，这是多年来破天荒的第一次。”（巴黎《快报周刊》语）。这表明世界政治力量对比在发生变化。美国不能再漠视新中国的存在了。
陈毅二度重来日内瓦时，已是第二年（1962年）的7月了。这期间会议曲曲折折断断续续，经过5个月激烈的讨价还价和反复协商，曾在1961年12月18日达成了协议。但年底美国又策动右派发起进攻。老挝人民在军事上特别是南塔之战中取得了辉煌胜利，才迫使右派参加了3亲王会议，并于6月11日达成了停火协议。日内瓦漫长的谈判，终于获得成功的结局。
1962年7月21日，第二次日内瓦会议达成了协议，一致通过了《关于老挝中立的宣言》和《关于老挝中立宣言的议定书》。在这两个国际文件中，老挝王国政府声明：它决心走和平中立的道路，以建立一个和平、中立、独立、民主、统一和繁荣的老挝，不承认任何军事同盟或联盟、包括东南亚条约组织的保护；各与会国声明：承认并尊重老挝王国的主权、独立、中立、统一和领土完整，愿为此承担一系列的义务。文件还规定：法国政府应该尽速把它在老挝的军事设施移交给老挝王国政府，但老挝王国政府认为必要时，法国政府可将人数明确限定的法国军事教练在一个有限的时期内留在老挝，以供训练老挝军队之用；此外一切外国军队和外国军事人员均撤出老挝。
美国提出的由中立国家来管理老挝外援和国际委员会凌驾于老挝王国政府之上的主张都被打掉了。
会议成功意义何在？陈毅在签字仪式前的最后一次全体会议上有3点评价：其一，证明大国干涉老挝遭到了失败；其二，证明一个国家的命运只能由这个国家的人民自己决定；其三，证明尖锐复杂的国际争端是可以通过谈判来解决的。代表们对此报以热烈的掌声。7月23日，协议正式签字。陈毅用一支毛笔，在两个文件——《关于老挝中立的宣言》和《关于老挝中立宣言的议定书》的文本上，签下了自己的名字。
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