1978年12月13日至15日，邓小平又亲自同美国谈判代表伦纳德·伍德科克就中美关系正常化的若干重大问题举行会谈。13日上午，邓小平在会谈中表示：基本同意美方起草的新的联合公报草案，但在公报中应重申反霸条款，以加重分量。同意在1979年1月1日发表公报和声明。同时针对新的联合公报草案中《台美共同防御条约》是“终止”而不是“废除”的说明，指出：我已经看过先前美方起草的公报，布热津斯基最近跟柴泽民谈话的记录也读到了。美台条约既然是一年后终止，那么一年之内是否仍然有效呢？并提出在“终止”期以前的一年里，美国不应该再向台湾出售武器。希望伍德科克先生能够理解对台军售问题是何等重要。强调：对台出售武器会破坏中国的和平统一。如果美国向台湾出售大量武器，蒋经国就会把尾巴翘得高高的，就只会增加冲突的危险性。14日下午，听取伍德科克关于提前宣布两国建交时间的说明，表示同意。15日下午，听取伍德科克关于中美关系正常化后美国保留向台湾出售防御性武器的权利的说明，明确指出：中美建交后，希望美国政府慎重处理同台湾的关系，不要影响中国采取最合理的方法和平解决台湾问题。如果美国继续向台湾出售武器，从长远讲，将会对中国以和平的方式解决台湾问题设置障碍，最终只能导致武力解决。在实现中国和平统一方面，美国可以尽相当的力量，至少不要起相反的作用。
1978年12月16日，中国政府发表声明，宣布：中国和美国自1979年1月1日起建立外交关系；邓小平副总理应美国政府邀请将于1979年1月对美国进行正式访问。同时重申：台湾是中国的一部分。解决台湾归回祖国、完成国家统一的方式，这完全是中国的内政。16日上午10时，华国锋在北京人民大会堂举行中外记者招待会，宣告中华人民共和国和美利坚合众国决定自1979年1月1日起建立外交关系。经双方商定，《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》提前于1978年12月16日上午公布。建交公报说：“中华人民共和国和美利坚合众国商定自一九七九年一月一日起互相承认并建立外交关系。美利坚合众国承认中华人民共和国政府是中国的唯一合法政府。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。”中美双方重申并再次强调上海公报中双方一致同意的各项原则。宣布：“中华人民共和国和美利坚合众国将于三月一日互派大使并建立大使馆。”
中国和美国在经历了二十多年的隔绝和对立之后，在1979年1月1日建立外交关系，使两国关系进入了一个新的阶段。1978年12月17日，《人民日报》发表社论《历史性的大事》，高度评价中美建交。社论指出：中美两国关系的正常化，对于维护亚洲—太平洋地区和全世界的和平与稳定，具有重大的意义。中美建交不仅符合中美两国人民的共同愿望和利益，而且将受到全世界人民和一切爱好和平国家的欢迎。中美建交为进一步增进两国之间的良好关系和两国人民的友好往来，开辟了广阔的前景。
1979年1月1日，邓小平致电美国总统吉米·卡特，热烈祝贺中美两国建立外交关系并表示：我期待着本月底访美期间同阁下会晤，并把中国人民的友好情谊带给美国人民。
1979年1月28日至2月5日，邓小平和夫人卓琳应美国总统卡特和夫人的邀请，对美国进行正式友好访问。这是中华人民共和国成立30年来中国领导人第一次访问美国。
1月29日上午，卡特总统在白宫举行欢迎仪式。卡特在欢迎词中说：“今年开始了有历史意义的我们两国关系的正常化，今天我们又迈进了一步。”“我们期望，这种正常化能帮助我们一同走向一个多样化的和平的世界。”“我们特别欢迎有机会来交换学生和学者，加强我们的贸易、技术、科学和文化的联系。”邓小平在答词中说：“中美关系正常化的意义远远超出两国关系的范围。位于太平洋两岸的两个重要国家发展友好合作关系，对于促进太平洋地区和世界的和平，无疑地将是一个重要因素。”“中美关系正处在一个新的起点，世界形势也正在经历着新的转折。中美两国是伟大的国家，中美两国人民是伟大的人民。两国人民的友好合作，必将对世界形势的发展产生积极的深远的影响。”
1月29日晚上，卡特总统举行国宴欢迎中国国务院副总理邓小平。人们称这次宴会是“全世界多数人今晚所注视的筵席”。卡特祝酒时说：邓副总理的访问，在美利坚合众国与中华人民共和国友好关系的发展中是一个重要的里程碑。美国同中国之间的新关系可以为和平事业服务，特别是为亚洲—太平洋地区的和平和稳定作出贡献。我们现在所做的将成为今后的和平合作的先例。邓小平在祝酒时说，我们来到美国的时候，正好是中国的春节，是中国人民自古以来作为“一元复始，万象更新”而欢庆的节日。
此时此地，我们同在座的美国朋友有一个共同的感觉：中美关系史上一个共同的时代开始了。我们两国曾在30年间处于相互隔绝和对立的状态，现在这种不正常的局面终于过去了。我们相信，中国人民同美国人民之间的友好合作，不仅有利于两国的发展，也必将成为维护世界和平和人类进步的强大因素。
1月29日上午、下午，30日上午，邓小平和卡特在白宫举行了三次会谈。30日中午第三次会谈结束后，他们笑着走出会议厅，一起走进白宫西侧玫瑰园的南草坪。向聚集在草坪的几百名世界各国记者宣布会谈结果。卡特说：“我们的讨论是深远、坦率、诚恳、亲切而和谐的，极其有益和有建设性的。我们已经建立了今后经常磋商的关系。这对美国和中国人民有很大的益处。这是美国最有历史意义的事件。”还说：“已经取得的进展使得将来有希望受益更大。”邓小平对记者说：“我个人完全同意总统先生刚才说的每句话。我相信，通过这次讨论和访问，加强了相互了解和友谊。这次访问使我更加坚信中美两国和两国人民在各个领域——政治、经济、科技、文化——的合作有广阔发展前途。”
1月30日，邓小平在华盛顿出席由六个美国团体联合举行的招待会，发表重要讲话，阐述中国对世界形势、中美关系和台湾问题的立场和政策。当晚，出席美中人民友好协会和全美华人协会举行的招待会，在会上向为增进中美友谊和实现中美关系正常化而努力的美国朋友和华侨表示感谢，并谈了祖国统一和台湾问题。
1月31日下午，邓小平与卡特签订了中美科技合作协定和文化协定，中国和美国将在平等、互利和互惠的基础上，在农业、能源、空间、卫生、环境、地学、工程和科学、技术的其他领域及其管理、教育和人员交流等方面进行合作。双方鼓励中美两国政府机构、大学以及其他组织和机构之间的联系和合作，并提供便利。中美将给予双方人员和设备的入境和出境手续的便利。双方同意商谈签订贸易、航空、海运协定。在这之前，两国之间签订了另外两项协定。一项是高能物理合作协定，另一项是建立领事关系和互设总领事馆的协定。此外，还签署了两国在农业、教育、空间方面合作的谅解的换文，作为履行科技合作协定的具体协议的一部分。在31日下午的签字仪式上，邓小平副总理和卡特总统都发表了讲话。卡特说：“有一个强大而稳固的、对世界事务作出建设性贡献的中国，是符合我们的利益的；有一个参与全球性事务的、自信而强大的美国，也是符合中国的利益的。”他说：“过去三天内我们所共同取得的成就是异乎寻常的”，“我们已经为朝着建立一种更坚定、更富有建设性和更有希望的关系前进绘制了一条新的和不可逆转的航线。”邓小平说：“我们刚刚完成了一项有意义的工作，但是这不是一个结束，而是一个开始。我们曾经预期在中美关系正常化以后，两国的友好合作将在广泛的领域里迅速开展。今天所签订的协定就是我们的第一批成果。但是我们两国之间还有许多合作的领域有待我们去开辟。许多渠道有待我们去沟通。我们还要继续努力。”他还说：“我相信，各个国家之间的联系和合作的不断扩大，各国人民之间的往来和了解不断加深，应能有助于我们的这个世界安全一些、稳定一些、和平一些。因此，我们刚刚完成的工作不但有利于中美人民，也有利于世界人民。”
在31日中午，邓小平在华盛顿宾馆同一批有影响的新闻记者共进午餐，同他们谈话，回答问题。在赴白宫签订协定之前，下午3时半，邓小平又在华盛顿布莱尔大厦接受美国广播电视界采访，发表讲话，回答他们的问题。邓小平访美引起强烈反响。邓小平成为《时代》周刊1979年第一期封面人物。该刊文章说：邓小平获选为1978年风云人物，原因是邓小平打开了中国的大门，他让中国走向世界，也让世界走进中国。邓小平的访问在全美引起轰动。舆论说：“邓来了，刮起了邓旋风。”在有名的国会山上，议员们纷纷拿着新出版的这本《时代》周刊，请邓副总理签名留念。两百多位记者跟踪报道。美国三大电视网的黄金时间成了邓小平时间。赞扬邓小平说话坚强有力，还极为幽默。
2月1日，邓小平一行结束在华盛顿的访问，中美双方发表联合新闻公报。公报说：“双方的会谈是友好诚挚的、建设性的和富有成果的。双方回顾了国际形势，一致认为双方在许多方面有共同的利害关系和相似的观点。双方也讨论了彼此看法有所不同的方面。双方重申反对任何国家和国家集团谋求霸权或支配别国，决心为维护国际和平、安全和民族独立作出贡献。双方认为，两国社会制度不同不应妨碍彼此加强友好关系和合作。双方决心为此努力，并且深信，这种合作符合两国人民的利益，也有利于世界的和平和稳定、特别是亚洲和太平洋地区的和平和稳定。
2月1日，邓小平到达卡特故乡佐治亚州的亚特兰大市访问。中午，出席美国南部地区国际问题研究中心和亚特兰大商会在桃树广场饭店大厅举行的欢迎宴会。邓小平发表讲话，感谢主人在亚特兰大市给予他的热烈款待，并表示很高兴同17位州长会见。邓小平说，美国的南方在过去是比较落后的，而现在已成为发展经济的标兵，这些成就是对刚刚开始实行现代化规划的中国人民的巨大的鼓舞力量。还说，同卡特富有成果的会谈表明，美中两国有许多共同之处，今后的任务是要由两国人民来扩大在各个领域的合作。
2月2日上午，邓小平一行离开亚特兰大前往休斯敦，下榻建筑风格独特的海厄特摄政旅馆。当晚在德克萨斯州马术竞技场，女骑手递给邓小平一顶牛仔帽，邓小平笑着接过，毫不犹豫地戴上。他的这一举动引起了暴风雨般的掌声。戴着牛仔帽的邓小平谈笑风生，无拘无束地与牛仔们打成一片。不仅让当地人留下深刻印象，而且让全美国老百姓一睹中国领袖的风采。
2月3日晨，邓小平同一些美国报纸、杂志的主编和发行人共进早餐。谈到他在休斯敦的访问时，邓小平说，昨天在休斯敦度过了难忘的一天。他在航天中心会见了一些美国科学家、学者和宇宙航行员。他说，他与方毅副总理临时成了“太空人”，因为他们进了天空实验室，坐在乘务员的位置上到太空走了一趟（模拟航天飞行）。还说，昨晚，观看了马术竞技表演，度过了一个愉快的晚上。
在谈话中，邓小平再次明确表示，中国坚决支持柬埔寨反对越南侵略的斗争。在回答问题时，邓小平说，中美两国之间的贸易在今后几年内将达到几十亿、甚至几百亿美元；在近期内，至少三五年，中国还要增加农产品的进口，主要是粮食；目前同美国政府和公司就两国在石油工业和其他领域的合作问题的谈判正在进行中。地质调查证实了中国的石油储藏量丰富。
2月4日，邓小平在西雅图出席美国联航总经理和波音飞机公司董事长为他举行的午餐会。邓小平在致答词中说：“我们是带着中国人民对美国人民的友谊来的。在你们的国土上，我们也亲身感受到美国人民对中国人民的情意。我们的行程的最后一站就是你们这个被称为‘通向东方的大门’的城市。这使我们更加意识到，我们两国是隔水相望的邻居。太平洋再也不应该是隔开我们的障碍，而应该是联系我们的纽带。中美两国人民世世代代友好下去，这是中国人民的愿望。经过几天来同美国政府领导人和各界朋友的接触，我们深深感到这同样是美国人民的愿望。”邓小平说：“中国人民在争取本世纪末实现农业、工业、科学技术和国防现代化的努力中，有许多方面要向创造了先进的工业文明的美国人民请教。”“我们两国在经济、文化、科技等领域里存在着广泛交流和合作的余地。”