三月三日，張學良飛回西安，四日飛抵洛川與李克農會談。張學良除同意雙方已達成的局部停戰協定外，並望與毛澤東或周恩來會晤。三月十六日，中共中央在山西石樓召開會議，聽取了李克農的匯報，決定派周恩來、李克農為全權代表赴膚施(今延安)和張學良會晤。四月九日，周恩來與張學良在延安城內的一座教堂裡舉行了友好會談，達成了紅軍與東北軍互不侵犯、互相幫助、互派代表，紅軍幫助東北軍進行抗日教育等項協議，並建立了電台聯繫。此次會談，對張學良走上聯共抗日道路具有決定意義，為紅軍與東北軍建立友好關係奠定了基礎。
此後，紅軍與東北軍之間的友好關係，繼續發展，進一步加強。高福源就留在張學良處繼續做與紅軍的聯絡工作。在張學良的支持下，高福源經常向東北軍官兵宣傳抗日救國的道理，講蘇區人民的自由生活、官兵平等及優待俘虜等政策，逐步使東北軍廣大官兵都願為聯共抗日而出力。高福源身材高大，一口道地的東北話，口齒清晰，語言流利，講得慷慨動人，有感染力。不少人被激動得流下眼淚。他講演時的生動情景，至今使人記憶猶新。他說，紅軍是真正的抗日隊伍。我們對紅軍作戰，就等於對家鄉父老的背叛，是民族的罪人。人們深為高福源的講話所感動，為紅軍的愛國主張所振奮。
西安事變發生後第二天，張學良派高福源赴開封面見河南省主席商震和綏靖主任劉峙，陳述西安事變的原因與目的。向他們宣傳張學良決心結束內戰，擁護蔣委員長一致抗日的主張。這是一項政治、軍事兼而有之的“外交”活動，為東北軍贏得了時間，從而迅速集結於渭南前線，擊潰了蔣軍桂永清部的進攻。
西安事變和平解決，張學良送蔣被扣，東北軍群龍無首，在如何援救張學良將軍這一至關重要的問題上，內部意見分歧，矛盾激化。一九三七年二月二日，不顧大局的少數盲動分子，感情用事，一意孤行，將有功於聯共抗日的王以哲將軍殺害。高福源是東北軍中盡人皆知的進步分子，一直受到張學良、王以哲的信任和重用。西安事變前夕，被派到一○五師任少將旅長。因此，遭到該師師長劉多荃等保守分子的嫉恨。高福源堅決擁護共產黨和平解決西安事變的方針，對王以哲將軍又特別敬重，對殺害王以哲的盲動行為極為憤慨，並於事件發生後，為緩和已被激化了的矛盾，控制事態發展，他不顧個人安危，擬親赴前線向劉多荃說明原委，同舟共濟，以挽危局。不料劉多荃已回師西安，藉機令高福源的部下、二團團長葛宴春於二月四日，在西安將高福源誘殺，鑄成千古奇冤。其屍體在中共地下黨的協助下，由高福源的家屬和堂弟高福洪偷運出來，掩埋在西安東城門外的城牆腳下。一九八一年才將遺骨找出，當地人民政府舉行了隆重的骨灰安葬儀式。骨灰盒和遺像安放在西安烈士陵園。中華人民共和國民政部向高福源的遺屬頒發了烈士證書。
高福源之所以能由一位曾參與“剿共”的舊軍人，很快轉變成為一名為中華民族的解放事業而奮勇捐軀的戰士和中共黨員，除了受共產黨抗日民族統一戰線政策的感召和耐心教育外，主要決定於他自身的內在因素。他有強烈的抗日要求，有追求真理的遠大志向。在“九一八”事變發生後，就曾與黃顯聲商談抗日大計。他認為，不能坐視寇深禍急，拱手把大好河山讓與他人，願率一旅之師，以必死的決心直搗山海關，打回老家去。若能喚起國人抗戰，雖死不悔。高福源為人豁達爽直，嫉惡如仇，即是頂頭上司甚至東北軍統帥張學良，他也敢直言錚諫。為了抗日，他敢冒殺頭危險返回東北軍，說服張學良放棄“剿共”內戰，聯合紅軍共同抗日。他治軍嚴格，訓練中常以岳飛、文天祥這些民族英雄為楷模教育官兵。下級違法，既不寬恕，又善教育，受到官兵擁戴。他勤於寫作，任團長時，所需軍事教材，如《步槍射擊操典教範》、《歷史上的軍事故事》等，都親自編纂。自蘇區返回東北軍後，更是如饑似渴地學習哲學、政治和歷史。清理他的遺物時，保留的書籍中就有《大眾哲學》、《世界殖民地獨立運動》和《第一國際與第二國際》等進步書刊。正因為他在自己的戎馬生涯中，勤於學習，立足實踐，追求真理，棄舊圖新，才逐步由愛國主義者轉變為共產主義者。