几乎在林彪座机起飞的同时，周恩来接到了林彪强行起飞的报告。
为了最后挽救林彪一伙，周恩来命令空军指挥调度室：“向二五六号飞机呼叫，希望他们回来。不论在东郊机场或西郊机场降落，我周恩来都到机场去接”；“如不行，在锡盟（即内蒙古中部锡林郭勒盟）降落也可以”。
指挥所的呼叫声，通过无线电波，连续不断地撞击二五六号飞机，但没有得到任何回答。据当时万幸没上飞机的林彪专机副驾驶分析说，可能是飞机上没有把通讯电台打开。因为一旦打开电台，包括三名机械师在内的机组人员都可以听到调度室塔台的呼叫声，禁止二五六号飞机起飞的命令也会传到三位机械师的耳朵里。
空军司令部指挥室的雷达密切地跟踪林彪的二五六号三叉戟飞机。墙壁般宽大的雷达屏幕上清楚地显示出那架飞机的亮点正向北移动。
“零点四十六分，航向三百一十度，飞机向西北方向飞去。”
“现在飞机时速五百五十公里，高度三千米。方向正北。”
空军司令部作战部指挥室通过专线保密电话，不断地把飞机的最新情况向周恩来报告。
十三日凌晨一点十分，西郊机场的吴法宪来电话报告：“飞机的方向不对头，向蒙古方向飞了，马上就要出国境了，要不要派飞机拦截？”
由于当时对林彪一伙策动政变的计划和他突然出逃的原因还没有掌握，周恩来请示毛泽东。毛泽东说：“林彪还是党中央的副主席，我们要是把他打下来，怎么向全国人民交代？天要下雨，娘要嫁人，随他去吧！”
一时五十五分，二五六号飞机在中蒙边界四百一十四号界桩上空，进入蒙古境内。又过了一会，二五六号飞机从空军指挥室的雷达屏幕上消失了。
至此，林彪一伙叛逃的面目彻底暴露。
周恩来回到新疆厅，向在座的政治局委员宣布了林彪北逃的消息，大家面面相觑，谁也没有讲话，也不知道该说什么。大厅里静得连一根针掉在地毯上的声音仿佛都听得见。
林彪作为党中央的副主席、军委副主席，掌握了我党我军大量的核心机密。他叛国投敌不仅对我党产生严重的危害，而且更重要的是对我们国家的安全构成严重威胁。
根据毛泽东的指示，周恩来立即召集在京的中央政治局委员开会，通报林彪事件情况，作紧急战备部署，以应付突发事件。
周恩来告诉大家：请你们呆在这里，都不要离开新疆厅。
据当时在场的周恩来卫士高振普回忆说：“周总理走出新疆厅，对厅外的环境作了进一步的安排，指定专人看守厅门，无关人员不准进入，所有随领导们进来的人员，一律原地休息，谁也不准靠近新疆厅。”
人民大会堂西大厅内有一个北小厅，宽大的办公桌上摆着军用电话和各种电话，旁边还有一张小床。这里是周恩来常来办公和休息的地方。
在这里，经毛泽东批准，周恩来亲自下达了应对林彪事件的一系列紧急措施。
首先，周恩来下达了全国禁空令：关闭全国所有机场。没有周恩来、黄永胜、吴法宪、李作鹏等五人联合签发的命令，任何飞机不准起飞。
开动全部雷达监视天空，不许任何飞机飞进北京。
派陆军进驻空军、海军机场，与原守卫部队共管，严格遵守净空命令。
随后，周恩来拿起保密电话，亲自逐一给各大军区和各省市自治区的主要负责人打电话，通报林彪外逃情况。为了暂时保密，又能使对方听懂，周恩来既含蓄又清楚地说：“庐山会议第一次全体会议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。”
当时，有的大军区负责人一时还没听明白，还在电话中提问是谁跑了。周恩来着急地说：“你们还不懂吗？我再说一遍，……”
这一圈电话打下来，周恩来的嗓子都喊哑了。
十三日凌晨三时十五分，林彪的死党周宇驰、于新野、李伟信劫持一架直升机，从北京沙河机场强行起飞，他们携带大量文件，企图追随林彪逃往国外。坐镇在空军作战部的李德生及时把这一情况报告给周恩来。周恩来果断指示：“迫使它降落，不听就把它打下来，决不能让它飞出去。”空军随即派出了八架次战斗机拦截，但因为天黑没有及时找到这架直升机。
好在这架直升机的驾驶员陈修文是一位有高度政治觉悟、智勇双全的同志，在得知周宇驰他们的阴谋后，他千方百计地把飞机降落在怀柔县境内。落地时，他和周宇驰等人英勇搏斗，壮烈牺牲。周宇驰、于新野自杀身亡，李伟信被随即赶来的战士捕获。
北京是党中央所在地，是心脏，安全至关重要，一点纰漏都出不得。为了确保北京首都的安全和稳定，周恩来又把北京市、北京军区和北京卫戍区的主要负责人召集到人民大会堂，通报情况，并部署了几项应急措施：
一、要监视和搜索外逃被迫降的直升机，要人、机并获，将情况直接报告中央。
二、派卫戍区部队封闭控制北京郊区的几个机场，没有命令，任何飞机不准起飞。在没有接到允许飞机起飞的命令或通知时，发现有飞机起飞，要将其击落。
三、卫戍区要加强对新华社、广播电台、人民日报社等警卫目标的警卫工作，对中南海、人民大会堂等附近地区，要增派部队，加强警卫。
四、各部队进入一级战备，并部署北京地区防空降的作战任务。
根据周恩来的指示，为加强北京地区的战备力量，北京军区命令三十八军的三个机械化师、坦克一师、坦克六师和炮兵六师共六个师，归北京卫戍区统一指挥。这样，北京卫戍区的兵力就由原有的四个师增加到十个师。防御区域重点是北至南口，东到首都机场，南到河北保定以北。考虑到当时黄永胜、吴法宪、李作鹏、邱会作都是军委办事组的成员，是解放军各总部的负责人，为了确保北京卫戍区置于党中央的领导下，周恩来指示卫戍区部队对来自军委、各总部的电讯只收听，不汇报，即只接受来的电话、电报，不汇报卫戍区根据中央指示部署的应变措施。
周恩来还指示外交部，密切注意外电反应，抓紧研究和提出因林彪事件可能引起的对外交涉所需的应对方案。
在做完这一切后，天已经亮了。人民大会堂外面，丝毫没有显示出什么异样。人们依旧是那么的平静，该上班的上班，该上学的上学，该散步的散步。天安门广场上，首都民兵师的队伍还在演练队形，准备迎接国庆二十二周年的检阅。广播喇叭的新闻播音中还不时有林副主席的字眼。外面的行人谁又能料到庄严的人民大会堂刚刚渡过了一个惊心动魄的不眠之夜？
北小厅，周恩来在办公桌前陷入了深深的沉思。连卫士轻轻地把窗帘拉开和关灯的声音都没能把他惊动。
从十二日晚上七点半吃过一顿饭后，到现在连续紧张工作十多个小时没吃东西，也没休息。卫士担心他的身体，但此时此刻也不敢说什么，只能在一旁静候。
沉思了好一阵子，周恩来起身走出北小厅，前往毛泽东所在的一一八厅。往常，周恩来总是会问：主席休息了没有？但这次他没问，他知道毛泽东肯定没有休息。
据当时在周恩来身边的卫士高振普回忆，周恩来在毛泽东那里大约谈了半个小时。
从毛泽东处回来后，正好南京军区司令员许世友来电话。
许世友的嗓门很大：“报告总理，我已派参谋长带部队占领了南京的全部机场，辖区内的其他机场也已同时出动部队全部占领，请总理放心，请毛主席放心。”
“好啊，世友同志，有情况随时报告。”周恩来脸上露出了昨晚以来难得的一丝笑意。
类似的电话还有一个，是广州军区司令员丁盛打来的。电话是打到中南海西花厅的。秘书纪东接的电话。丁盛在电话里说：请报告总理，我忠于毛主席，听毛主席的，听周总理的，周总理怎么说，我就怎么办，我已经遵照总理的指示去办了。
周恩来得知后，吩咐把纪东叫到了人民大会堂，暂不要回西花厅。这样做当然是为了保密。
十三日上午九时左右，在身边工作人员的安排下，周恩来吃了一碗面条和一个包子。随即又召集政治局委员、军委和总参作战部的同志到大会堂东大厅开会，分析由于林彪外逃可能发生的情况，研究制定紧急方案，调整部队部署，重点是应付外国势力的入侵，并拟定向全军发出的紧急战备指示。
从十二日下午五点多从西花厅出来到十三日一整天，周恩来都没有回过西花厅，连续二十多个小时没回家。在西花厅的邓颖超担心周恩来的身体，来过好几次电话。从卫士们支支吾吾的言语中，政治经验丰富的邓颖超预感到国家肯定出什么大事了，她不是像以往那样催周恩来早点散会，而是叮嘱工作人员一定要按时给周恩来吃药。一九六七年，周恩来就已检查出患了冠心病。
十三日晚上十点十五分，空军司令部送来一份报告：十八时四分，蒙古人民共和国雷达团团长向所属各连发报说：凌晨二时半有一架不明飞机在温都尔汗地区坠落焚烧，从十八时起进入一等戒备。
周恩来立即将这一情况报告毛泽东。这可能是关于林彪座机坠毁的最早消息。虽然当时还不能确定这架在温都尔汗地区坠落焚烧的飞机就是林彪的座机，但是，有一点是可以肯定的，周恩来一定会把它与林彪的座机联系起来。因为从时间上和方向上都存在这个可能。
那么，接下来，周恩来会不会电告我国驻蒙古人民共和国使馆，要他们密切注意这件事呢？当然这只是笔者的推想，目前还没有材料显示周恩来是否有这样的动作。
十四日上午十一时左右，连续忙碌了五十多个小时的周恩来看上去显得格外疲倦。在身边工作人员的一再劝说下，周恩来服了安眠药，在北小厅躺下休息了。连续高度的紧张和劳累使他很快就发出了轻微的鼾声。
躺下休息前，周恩来告诉卫士：有什么情况随时叫醒他。
下午二时，刚刚入睡不到三个小时的周恩来，就被外交部的一个紧急电话叫醒。电话是王海容打来的，她说有重要情况要向总理报告。秘书只好把周恩来叫醒。周恩来预感到可能有林彪一伙的什么消息，叫王海容马上赶到人民大会堂，并吩咐卫士到门口等候。
王海容送来的是我国驻蒙古使馆发回的密报：我国一架军用飞机于十三日凌晨二时左右在蒙古温都尔汗附近坠毁。机上九人全部死亡，其中有一女的。机号：二五六。
看完报告，周恩来顿感如释重负。虽然报告未说明那架飞机就是林彪座机（当时我驻蒙使馆也不知道），但是，周恩来已猜到十有八九了。他高兴地连说；“啊，摔死了，摔死了。”
随后，一向注意仪表的周恩来穿着睡衣和拖鞋，疾步走向毛泽东所在的一一八厅，向毛泽东报告这一大快人心的消息。
据当时在场的周恩来卫士高振普回忆，这一进去，周恩来和毛泽东谈了一个多小时。
从一一八厅出来后，周恩来来到福建厅，向等候在这里的政治局委员宣布了林彪一伙在蒙古温都尔汗附近机毁人亡的消息。会场在短暂的沉寂后马上涌动着阵阵欣喜。
在这天的晚餐时，周恩来破例喝了点茅台酒。
从十四日午夜开始，周恩来在人民大会堂分批向中央机关、国务院各部委和军队系统的主要领导人通报林彪事件的经过，要求各单位的领导回去后把握住本单位，紧紧团结在毛主席的周围，制定防范措施，以应付可能发生的事情。
分批的通报会到十五日下午四时才结束。至此，七十三岁高龄的周恩来几乎连续紧张地忙碌了整整三天三夜，中间只睡了不到三个小时，加上沙发上的几次小憩，总共也不足五个小时。
当周恩来迈着疲惫的双腿离开大会堂回到西花厅时，等候在门口的邓颖超心疼地对周恩来说：“老伴啊，看你的两条腿已抬不起来了。”
两个多月后，周恩来对在京的上层爱国人士回顾惊心动魄的“九一三”之夜时说：“事后说来惊险得很，但当时处理并不紧张。因为我们相信绝大多数群众，相信绝大多数干部。”
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