3月23日至31日，中共中央在延安凤凰山下（今凤凰小学）召开政治局扩大会议。出席会议的有：毛泽东、张闻天、博古、朱德、张国焘、凯丰、林伯渠、林彪、彭德怀、任弼时、贺龙、董必武、罗荣桓、廖承志、徐特立、肖劲光、胡耀邦等56人。
会议共有两项议程。3月23日至26日，会议进行第一项议程，讨论西安事变和国民党三中全会以后抗日民族统一战线的新形势及中国共产党的新任务。
3月27日至31日，进行第二项议程，讨论张国焘的错误。
鉴于张国焘在一、四方面军会合后的一系列错误，从1937年1月在中央内部，开始了对张国焘错误的批判。会上，张国焘首先作检查，他承认自己“是路线的错误，是退却逃跑的错误，是反党反中央的错误”。
会上，有30多人发言。张闻天、凯丰等从理论上系统地批判了张国焘反党分裂的谬论及其错误路线的性质；朱德深刻地批判了张国焘分裂党和红军的问题及其退却逃跑路线；贺龙揭露了张国焘在二、四方面军会师后企图以军阀式的手段吞并二方面军的行为；彭德怀揭露张国焘反对中央北上建立川陕甘根据地的正确战略方针的活动。参加会议的一些受张国焘迫害的红四方面军的干部，也揭发了张国焘搞肃反扩大化，打击知识分子，排斥异己的种种错误。
31日，会议通过了《中共中央政治局关于张国焘错误的决定》，指出了张国焘错误的性质和主要内容：
一、张国焘“在四方面军的领导工作中，犯了许多重大的政治的原则的错误。”“从退出川陕苏区到成立第二中央为止是右倾机会主义的退却路线与军阀主义的登峰造极的时期。这是反党反中央的路线”。
二、张国焘由于对中国革命形势作了右倾机会主义的估计，因此产生了对敌人力量的过份估计，对自己力量的估计不足，“而主张向中国西部荒僻地区，实行无限制的退却”。这是张国焘右倾机会主义路线的实质。
三、张国焘忽视党的领导作用，“不顾一切中央的命令，自动南下，实行分裂红军，成立第二‘中央’，造成中国党与中国苏维埃运动中空前的罪恶行为”。
四、张国焘的南下行动，是反党反中央和分裂红军，是根本错误的。
五、张国焘“始终对于北上与中央会合是迟疑的，对于中央的路线的正确性，是不了解的”。
六、张国焘路线是农民的狭隘性、流氓无产阶级的破坏性及中国封建军阀的意识形态在无产阶级政党内的反映。
七、中央对于红四方面军的干部在中央直接领导之下所获得的极大进步与对张国焘路线的正确认识，表示极大欣慰。过去红四方面军所犯的错误，应该由张国焘负最主要的责任。
八、中央号召全党同志同张国焘的错误作坚决斗争。
延安会议是抗日战争爆发前夜中国共产党召开的一次重要会议。会议为第二次国共合作和全民族对日抗战作了重要准备。同时，会议清算了张国焘的错误，增强了党内团结。但是，张国焘从思想上没有接受中央对他的批评，最终走向了叛党的道路。
1937年9月，陕甘宁边区政府成立时，张国焘被任命边区政府执行委员会副主席。此间，由于抗日民族统一战线工作的需要，林伯渠主席常驻西安八路军办事处（时任八办党代表）。所以，边区政府的工作由张国焘代理主席主持日事务。
1938年4月3日，经边区政府主席团（后改为常务委员会）批准，派张国焘前往中部县（今黄陵县）祭黄帝陵。4月4日，张国焘乘祭黄帝陵之机，私自逃离，随后在国民党军政要人蒋鼎文及胡宗南的庇护下经西安到达武汉。当中共中央得知张国焘祭陵未归，并逃出陕甘宁边区后，为了挽救张国焘本人，立即电告当时驻武汉的中共中央长江局负责人周恩来、博古等同志，让他们劝张国焘能够返回边区。后经周恩来等人做工作，张国焘才勉强搬到办事处居住。张国焘曾电告中共中央谓：“不辞而别，歉甚，愿在武汉做些工作。”之后，张在外出返回办事处途中，乘周恩来与另一同行朋友谈话之际，抽身而逃。周恩来及办事处同志四处寻找，在武昌的一个寓所找到张国焘。周恩来在同张谈话中，向张提出三点办法：（一）改正错误回党工作（这是我们最希望的）；（二）向党请假，暂时休息一个时期；（三）自动声明脱离党，党宣布开除他的党籍。当时张国焘回答认为第一条不可能，可以在第二条和第三条中考虑。4月16日，毛泽东同张闻天、康生、陈云、刘少奇发电报给中共中央长江局转张国焘，希望他翻然悔悟，早日归来。张拒绝对他的挽救，于4月17日声明脱离共产党，公开投靠国民党。
1938年4月18日，中共中央作出决定开除张国焘党籍。4月19日，中央发出《关于开除张国焘党籍的党内报告大纲》。4月29日，陕甘宁边区政府发布命令，撤销张国焘边区政府代主席等一切职务。