6月底，鉴于两广事变给南京政府造成的危机，张学良对共产党的认识进一步加深。他在赴南京参加国民党五届二中全会前把刘鼎请到王曲镇军官训练团，表示自己的队伍人员混杂，捏不到一起，而此前与周恩来谈过，彼此了解，希望大家合在一起，撒开手干。刘鼎深感此事重大，于7月1日电告党中央，希望在安塞见面。2日，他接到毛泽东和周恩来复电，要他即日动身到安塞，有要事开会讨论，千万勿误。刘鼎报告张学良后及时奔赴安塞。7月5日，刘鼎飞至延安，步行80里到达安塞时，毛泽东、张闻天、周恩来、李克农等已在那里等候。刘鼎汇报了张学良想拉一部分队伍出来与红军一起干的想法，东北军的内部、军官训练团以及张学良和晋、鲁、川、桂、粤以及平、津等地方实力派联系的情况等等。会议开了整整一夜，中央肯定了刘鼎的汇报，要他改变秘密工作方法，大胆放手地工作，以适应“加快发动”的要求。

    刘鼎在帮助张学良的同时，还负责中共在西安的通讯联络和交通工作。他在西安七贤庄一号建立了中共的秘密交通站（后为八路军西安办事处），这个秘密交通站的公开名义是张学良牙医的诊所。刘鼎通过史沫特莱从上海请来德国牙科医学博士赫伯特·温奇做掩护工作，并以诊所的名义，接收国际友人从上海购买的大批药品和医疗器械。他专门购置了一辆轿车，接收东北军援助红军一些军用物资，通过这条秘密交通线运往陕北苏区。刘鼎以张学良身边工作人员的合法身份与特殊地位，关照中共领导干部及国际友人往返于西安至陕北，叶剑英、潘汉年、邓发等都曾由这条交通线出入陕北苏区。埃德加·斯诺和马海德两位国际友人第二次到达西安，就由刘鼎帮助进入苏区。1936年10月，斯诺从陕北苏区访问归来，在西安见到刘鼎，刘鼎一再叮嘱他：“你可以写其他的人，但一定不要写我”，体现了严肃、缜密的工作作风。

    中共代表团的“大管家”

    1936年12月12日清晨，张学良、杨虎城举行兵谏，西安事变爆发。刘鼎向党中央发出西安事变后的第一份电报，并将张学良邀中央派代表来西安共商大计之约电报中央。刘鼎向周恩来详细汇报了事变发生后张学良与杨虎城对蒋介石的态度，南京方面来西安探查斡旋的情况，以及张学良、杨虎城盼望中共来人协助处理事变的焦急心情。中共中央第一时间收到刘鼎的报告，这对于中央掌握西安事变与国民党内部的情况以及随后派中共代表团赴西安并和平解决事变有着重大意义。此时，刘鼎还想到国际友人史沫特莱正在西安城内，就冒险来到她的住处西京宾馆，简单扼要地讲了事情的经过，并一再告诉她全城已戒严，千万不要离开住处，更不要上街。史沫特莱得知消息后，立即将这一震惊世界的西安事变的消息发给西方通讯社，成为第一位报道西安事变的西方记者。

    谈判期间，刘鼎承担了繁重的工作任务，直接负责东北军和中共中央的电讯联系工作，从沟通战略到购买书籍药品，事无巨细，还与各方人士沟通联络，李克农夸奖他“成了代表团的大管家”。

    西安事变和平解决后，张学良陪同蒋介石回到南京遭到羁押，随后东北军内部以应德田、孙铭九、苗剑秋为首的少壮派军人竟然于1937年2月2日晨派人枪杀了第67军军长王以哲，亲痛仇快，东北军濒临分裂，此为“二二事件”。一些别有用心者还制造出这一事件与红军有关的谣言。刘鼎陪同周恩来冒着风险赶到王以哲宅亲自吊唁，帮助设灵堂料理后事，祭奠死者、安慰生者，这就使谣言不攻自破，也稳定了东北军当时混乱的局面。为避免事态扩大，周恩来决定把孙铭九几人尽快送出西安，由刘鼎负责将他们送到三原。随后，刘鼎回到陕北苏区。

    同年，为培养能够掌握和维护飞机、坦克、装甲车和汽车等装备的技术人员，中共中央成立了中央革命军事委员会摩托学校，刘鼎被任命为校长。此外，刘鼎还被朱德、彭德怀任命承担了新的军工生产任务。他在深入调查研究的基础上，解决了步枪生产的标准化与制式化问题，实现了大批量生产，还研制了能与日军抗衡的掷弹筒与炮弹，实现了子弹从复装到自造的突破，增加了子弹的产量，提高了军队的战斗力。他还参加了黄崖洞保卫战，粉碎了日军的“扫荡”。

    刘鼎在上海从事隐蔽战线工作，到东北军做统战工作，都出色完成了党交付的工作任务。刘鼎在西安事变前后，历时一年，经历了西安事变的整个过程。毛泽东多次说过：“西安事变，刘鼎同志是有功的。”