初秋的古都，气爽宜人。“坐镇”北京的周恩来，仍然如往常那样，有条不紊地领导着四届人大的筹备工作。从9月6日起，他每天都在人民大会堂里主持讨论《政府工作报告》稿。10日，在对报告稿亲作修改后，周恩来致信毛泽东，告：已写出初稿，拟从11日起，由政治局确定几名成员以10天时间改好送审。信中还就国庆节前召开九届三中全会、补选几名中央委员等事作了请示。毛泽东阅后批：“都同意。还要补选常委。”
显然，毛泽东对中央的人事调整已有所考虑。
风景如画的江南大地，隐隐透出一股杀气。10日中午，正在南方巡视、对林彪一伙已有警觉的毛泽东下令专列开赴上海。随即，专列离沪北上，一路不停，直驶北京。12日午后，专列抵达北京。旅途劳累的毛泽东回到中南海休息。当汪东兴将毛泽东回京的消息报告周恩来时，因事出突然，周恩来不解地问汪：“你们怎么不声不响地就回来了，连我都不知道？路上怎么没有停？原来的计划不是这样的呀！”汪东兴后来向周恩来作了详细汇报。
毛泽东安全返回北京，使林立果等人的谋杀计划彻底破产，进而打乱了林彪一伙反革命政变的部署。为此，在北戴河的林彪、叶群、林立果紧急策划南逃广州，企图另立中央，分裂国家。根据这一计划，他们安排了几架飞往广州的飞机，其中一架256号“三叉戟”，是林彪的专机，于12日傍晚秘密调到山海关机场，供林彪一家使用。
这天晚上，周恩来照常在人民大会堂主持讨论《政府工作报告》稿。
灯火通明的人民大会堂福建厅内，四周玻璃窗都紧闭着，并拉上了深色帷幕。朝东靠广场方向的窗户旁边，放着一排长方形会议桌，上面铺着白色桌布。周恩来背朝广场方向，正全神贯注于会场的讨论。这时，天安门广场上为国庆游行进行队列操练的首都各界群众仍未散去，高音喇叭播放的乐曲隐约可闻。
22时许，工作人员请周恩来接电话。大约半小时后，周恩来回到会场，讨论继续进行。过了一会儿，周恩来出去又接电话，这次，他很久都没有回来。
周恩来接的第一个电话是汪东兴打来的。汪报告：驻北戴河的中央警卫部队获悉林彪等人打算离北戴河出走，去向不明。这是根据林彪之女林立衡汇报得知的。周恩来当即指示警卫部队继续观察，随时报告。
从第二个电话里，周恩来了解到有一架专机正停候在山海关机场，这引起了他的注意。他马上把参加《政府工作报告》稿讨论的吴法宪找来，要求他立即查明山海关飞机的情况。
周恩来是在人民大会堂东大厅的一个房间里，处理来自北戴河方面的问题的。这时，福建厅的会议实际上已经中止。从周恩来急匆匆的步履和异常严峻的表情上，参加讨论的人都隐隐感觉到发生了一件“紧急的重大事件”。
在证实山海关机场确有一架专机后，周恩来亲自打电话给叶群，询问飞机的情况，并提出打算亲往北戴河见林彪。这时已是深夜23时30分。
做贼心虚的叶群一面敷衍飞机之事，一面又竭力阻止周恩来前来北戴河。因周恩来通过几条渠道追查停留山海关的飞机，林彪一伙感觉阴谋已经败露，南逃广州的计划恐难以实现，便孤注一掷，决计北叛国外。
23时40分，林彪、叶群、林立果、刘沛丰等在慌乱中钻入一辆“红旗”高级防弹轿车，冲过警卫部队阻拦，以100多公里的时速驶往山海关机场。到机场后，林彪一伙匆忙登机，在副驾驶、领航员、报务员都未上机的情况下，下令飞机在一片漆黑中强行起飞。
此时已是9月13日零时32分。
周恩来在“三叉戟”起飞不久便接到了报告。在这之前，他曾以这架飞机须有周恩来、黄永胜、吴法宪、李作鹏“四个人一起下命令才能飞行”的指令，试图阻止该机起飞。但因李作鹏有意篡改命令而未能奏效。
对林彪等人突然乘机离去的意图，暂时还是个未知数。为此，周恩来命令李德生坐镇空军司令部，监视飞机动向；派杨德中随吴法宪去西郊机场、派纪登奎去北京空军司令部，以便从各方面掌握情况。随后，他向全国发布禁空令：关闭所有机场，所有飞机停飞，开动全部雷达监视天空。周恩来还请调度员用无线电向256号飞机呼叫，要林彪等人飞回来，告以：“不论飞机在何处降落，我周恩来都到机场去接。”但林彪座机不予回答。
在空军司令部的李德生通过专线电话，不断将林彪飞机的位置、高度、方向等情况汇报给周恩来。当飞机飞临中蒙边境时，李德生向周恩来请示处置办法。周恩来告诉李：已请示了毛主席，主席说，“天要下雨，娘要嫁人，由他去吧！”
凌晨1时50分，林彪座机飞越中蒙边界上空。这伙阴谋家叛党叛国的嘴脸最终暴露无遗。
中共党内唯一的副主席、毛泽东的“亲密战友和接班人”叛逃了！——这是一件多么不可思议的事情。然而，它毕竟实实在在地发生在眼前。
林彪等人的背叛行径使周恩来怒不可遏。他用力按下手中的话筒，气愤地迸出两个字：“叛徒！”
面对如此惊心动魄的重大变故，周恩来十分清楚自己的责任。在毛泽东的支持下，他毅然担起领导全党全军同林彪反革命集团斗争的重任。
首先，根据毛泽东的指示，周恩来在人民大会堂召开在京中央政治局成员紧急会议，宣布林彪叛逃事件，研究部署各种情况的应变措施。
随即，从13日清晨至当天下午，周恩来亲自打电话给11个大军区和29个省、市、自治区的主要负责人，通报林彪外逃情况。在电话里，他使用的是斟酌过的特别话语，把事情说得既清楚又含蓄：“庐山会议第一次全会上第一个讲话的那个人，带着老婆、儿子，坐飞机逃往蒙古人民共和国方向去了！你们要听从党中央、毛主席的指挥。从现在起，立即进入紧急备战。……”
与此同时，周恩来还将李先念、华国锋等分别派到京西宾馆、海军司令部和总后勤部主持工作，以便随时掌握、报告情况。
他特别指示外交部，要密切注意外电报道，抓紧研究和提出因林彪事件引起的对外交涉所需应对方案。
周恩来还和政治局其他成员一起，与总参谋部负责人共同拟定出下发全军的紧急战备指示，并对北京地区部队部署、京郊各机场军管以及机动兵力安排等进行布置。
13日上午，在周恩来直接指挥下，北京地区空军将林彪党羽周宇驰、于新野等劫持的一架直升机迫降在京郊怀柔县境内，从飞机上缴获了林彪一伙阴谋政变的大量罪证，为后来查清林彪反革命政变计划提供了极为重要的线索。
至9月14日下午，待各项必要的工作部署完毕，周恩来在人民大会堂里已连续劳作达50多个小时。疲惫至极的周恩来刚休息一会儿，便接到来自中国驻蒙古人民共和国大使馆的特急报告，从中获悉林彪一伙机毁人亡的确切消息。
异常的兴奋，驱走了周恩来的困乏。他连声说道：“摔死了！摔死了！”说罢，立即亲往毛泽东处报告这一消息。
林彪、叶群、林立果等人确实死了。当256号飞机飞临蒙古境内温都尔汗时，因油料不足，飞机进行迫降，随即机身擦地起火，机上人员全部摔出，焚烧致死。
9月24日，经毛泽东批准，周恩来在人民大会堂福建厅主持会议，宣布将10天来一直拒不坦白交代问题的黄永胜、吴法宪、李作鹏、邱会作四人实行隔离审查。在这前后，林立果在各地的“联合舰队”的骨干分子也相继被捕归案。
不久，中共中央《关于林彪叛国出逃的通知》逐级传达到全党全国，正式宣布：“林彪于1971年9月13日仓皇出逃，狼狈投敌，叛党叛国，自取灭亡。……”
“九·一三”事件犹如晴天霹雳，震惊了中国，震动了世界。
林彪集团阴谋夺取最高权力、策动反革命武装政变的发生，是“文化大革命”推翻党的一系列基本原则的结果，客观上宣告了“文化大革命”的理论和实践的失败。林彪事件后，周恩来在毛泽东支持下主持党中央的日常工作。在揭发批判林彪一伙罪行的过程中，周恩来提出并领导了批判极左思潮的斗争，它使得党和国家各方面的工作有了转机。