美伊面对面和平谈判在巴基斯坦伊斯兰堡举行，从11日下午持续到次日凌晨，历经一夜两天、分三个回合间歇进行。美国副总统JD·万斯率领美方代表团表示：“我们进行了21小时的会谈”，这似乎不仅包括美伊直接谈判，还涵盖了巴基斯坦斡旋下的间接对话。

双方均组建了庞大谈判团队。由万斯领衔的美方代表团包含安保及礼宾人员约300人，伊朗则派出议会议长穆罕默德·加利巴夫和外长阿巴斯·阿拉格齐等70人抵达伊斯兰堡。会谈前，两国还分别与巴基斯坦总理谢赫巴兹·谢里夫举行会晤，作为前期沟通环节。巴总理办公室随后宣布“和谈已启动”，但美伊双方均未发表正式声明。

在谢里夫见证下，万斯与加利巴夫直接握手，谈判以巴基斯坦居中调解的三方形式展开。路透社援引巴政府消息人士称：“会谈气氛瞬息万变，紧张态势始终起伏不定。”

12日凌晨3点后，伊朗政府宣布谈判结束，但补充道“虽仍存分歧，谈判将继续”。然而与上述报道相反，万斯在清晨6点30分左右表示，他与伊朗进行了两小时会谈，但因伊朗拒绝放弃核计划等未决问题未能达成协议。他宣称“我们未达成协议”“即将返回美国”。简短声明后，万斯回答了随行白宫记者提问，于7点20分左右登机返程。贾里德·库什纳与中东特使史蒂文·维特科夫未另作表态。就在万斯宣布和谈破裂之际，美国总统唐纳德·特朗普正与国务卿马可·卢比奥、长女伊万卡及长子小特朗普在佛罗里达州迈阿密观看综合格斗（UFC）赛事。

据悉会谈在伊斯兰堡五星级塞雷纳酒店举行。数日前，巴基斯坦已清退所有普通住客，全面封锁周边道路。当地政府将9日至10日设为临时假期，加强空域监控并维持最高警戒状态。巴内政部还启动应急小组保障双方代表团安全。关键地点设置检查站与路障，使往日喧嚣的首都实际进入宵禁状态。此外，两国代表团及记者罕见获许落地签证待遇。

伊朗代表团在赴巴专机上展示了战争初期美军误炸遇难小学生的照片。加利巴夫在X平台发布的照片显示，儿童肖像、烧焦的书包与鲜花被摆放在座椅上。代表团成员皆着黑色正装抵达。《纽约时报》指出伊朗官员“行动充满象征意味”，多人佩戴黑色墨镜与口罩，外界解读此为防范未来成为美以打击目标的举措。