2003年8月27日至29日，第一轮六方会谈在北京召开 ，由时任中国外交部部长李肇星主持开幕，中国外交部副部长王毅任中方代表团团长。参加第一轮六方会谈的各国代表团团长是：美国亚太事务助理国务卿詹姆斯·凯利、朝鲜副外相金永日、俄罗斯副外长亚历山大·洛修科夫、韩国外交通商部次官补李秀赫、日本外务省亚洲和大洋洲局局长薮中三十二。

朝方仍坚持一揽子解决核问题，提出的方案主要分为四个阶段，每阶段都要求美国“同时行动”。

美方则强调朝鲜应迈出第一步，须首先以“全面、不可逆转和可验证”的方式弃核(Complete, Verifiable and Irreversible Dismantlement，CVID)，然后才能讨论其安全保障问题。

当年一则来自利比亚的声明引人注意。那年12月，利比亚领导人卡扎菲宣布“彻底放弃大规模杀伤性武器”，并接受国际原子能机构的核查，全盘交出了手中的核研发成果。美国随即解除对利制裁，摘掉了利“支持恐怖主义国家”的帽子，并建立了外交关系。一时间，利比亚成了西方国家眼中消除核生化武器和远程导弹的“模范生”。 也许美国曾试图以此为例打动朝鲜，但八年后利比亚局势的剧烈变化及其后果对朝鲜在核问题上的态度产生了反向的影响。

2004年2月25日至28日，第二轮六方会谈在北京继续举行。会谈焦点在于解决核问题的目标和第一阶段措施。会谈中，美坚持朝应同利比亚一样，先放弃核计划并接受国际原子能机构核查;中、俄、韩三国则倾向“乌克兰模式”，强调若朝主动弃核，应尊重其主权并给予安全保障。

本轮会谈通过了六方会谈启动以来发表的第一份书面文件——《主席声明》。 声明强调：各方表示致力于朝鲜半岛无核化目标，通过对话和平解决核问题;各方表示愿意和平共存，并同意采取协调一致的步骤解决核问题及其他关切。

同年6月23日至26日，第三轮六方会谈召开。朝方仍坚持“冻结换补偿”，但首次表示冻结是为了最终弃核。美方也展现一定的灵活性，提出了五阶段的弃核方案。第三轮会谈虽然没有实质性协议，但是最终达成了“以循序渐进的方式，按照口头对口头、行动对行动”原则解决朝核问题的重要共识。这是中方在开启六方会谈以来就反复强调的，要求美朝相互同时迈出步伐。

第四轮六方会谈与第三轮间隔了13个月之久。导致会谈中断的一个主要原因是，小布什政府在连选连任前后对朝态度更趋强硬，多次将朝鲜领导人称为“暴君”，将朝鲜称为“暴政前哨”。 另一个原因是，韩国在2004年9月初承认曾秘密提炼武器级钚和浓缩铀材料，这引起朝方强烈不满。2005年2月10日，朝鲜宣布已经制造出核武器，并无限期中止参加六方会谈。美国则在6月底首次对朝实施金融制裁。

中国并未放弃斡旋，13个月后朝鲜同意重返六方会谈。第四轮六方会谈第一阶段会议和第二阶段会议分别于2005年7月26日至8月7日和9月13日至9月19日在北京举行。这轮六方会谈最大的成果是在9月19日达成了《第四轮六方会谈共同声明》(以下称《9·19共同声明》)。这是一份成功地凝聚了各方共识的重要文件，其意义在于：朝鲜首次承诺放弃一切核武器及现有核计划，韩国也明确表态不发展核武器;美国同意在适当时候讨论向朝提供轻水堆;美、日首次正式承诺将采取步骤实现与朝鲜关系正常化;首次谈到朝鲜半岛和平机制问题和东北亚安全问题。

这是六方会谈以来达成的第一份共同声明，作为解决朝核问题的路线图，《9·19共同声明》让人们看到了一线曙光。但曙光却又很快被美国对朝鲜金融制裁的乌云所遮蔽。

2005年9月23日，几乎就在六方会谈进行的同时，在毫无预兆的情况下，美国财政部根据情报机构提供的信息，公开指责澳门汇业银行替朝鲜在该行开设的多个账户“洗钱”“流通伪钞”，所获资金用于“支持恐怖主义”。此前的9月9日，美国已提出冻结朝在澳门汇业银行的2500万美元资金。10月21日，美又宣布将8家朝鲜企业列入黑名单，冻结其在美资产。汇业案虽然表面上看与朝核问题没有直接关联，但对朝核问题的解决进程产生了重大影响。

11月9日至11日在北京召开第五轮六方会谈第一阶段会议时，朝鲜代表团如仍如期而至。但在第一阶段会议之后，美国于12月开始对朝实施金融制裁。面对美国不断加大的制裁力度，朝鲜公开声称，若美不肯取消经济制裁，将不再重返六方会谈。而美国没有松手，2006年4月美国财政部进一步加大了对朝鲜的制裁力度。

由此开始，今天已被人们熟悉的围绕朝核问题的“制裁-试验-再制裁-再试验”的恶性循环开始了。 美国不断升级的制裁没能阻止朝鲜升级武器试验的步伐，2006年7月5日，朝鲜向日本海试射7枚导弹，10月9日，朝鲜宣布成功进行了地下核试验。

同年10月14日，联合国安理会以15票赞成一致通过了美国提出的1718号决议。决议要求：所有联合国成员对朝鲜实施与核武器及技术、大型武器和奢侈商品有关的禁运;要求朝鲜不再进行核试验，暂停与弹道导弹有关的所有活动。

2006年10月，中方与六方会谈其他成员展开了新一轮密集磋商和协调。终于在11月1日，朝鲜宣布重返六方会谈。同期，美国民主党赢得中期选举，在参众两院同时占据多数，力主对外逞强和军事冒险的“新保守主义”在美国退潮，对朝强硬势力在小布什政府中的影响也随之下降。

2006年12月18日至22日，第五轮六方会谈第二阶段会议召开。2007年2月8日至13日，第五轮六方会谈第三阶段会议在北京继续进行，会谈的最大成果是通过了共同文件《落实共同声明起步行动》(以下称《2·13共同文件》)。《2·13共同文件》主要包括一系列平行行动，包括朝方以最终废弃为目标关闭并封存宁边核设施，以及申报和最终放弃全部核项目。朝美将开始双边谈判，美将启动不再将朝列为支恐国家的程序。其中，朝鲜同意申报所有核计划是一个很大进步。

《2·13共同文件》签署后，半岛局势出现了一定程度好转，朝韩部长级对话恢复，2007年3月1日，国际原子能机构总干事巴拉迪赴朝，商讨关闭和封存宁边核设施的具体细节。同日，朝鲜副外相金桂冠访美，这是凯利2002年10月访朝后，朝鲜对美国的一次“破冰之旅”，也是朝美第一次就关系正常化问题开展谈判。

与此同时，对朝制裁日益成为阻碍《9·19共同声明》和《2·13共同文件》履行的障碍。朝鲜坚持将取消制裁作为关闭宁边核设施的一个先决条件，但美方却不能同意。

2007年3月，在第六轮六方会谈第一阶段会议于北京召开之际，美方宣布汇业银行涉朝资金将被转账到中国银行，朝鲜承诺将这笔资金用于人道主义和教育。中间的一个插曲是，由于某种“技术问题”，这笔钱并没能马上转入中国银行账户，而朝鲜认为己方已经履行了相应义务，在澳门汇业银行问题中没有尽到义务的是美国，因此在澳门汇业银行问题解决前，朝“就不会采取下一阶段措施”。直到6月25日冻结资金问题得到解决，朝才开始恢复履行《2·13共同文件》。7月14日，朝鲜关闭宁边核设施，韩国提供的6200吨重油抵达朝鲜。同日，国际原子能机构核查人员重返朝鲜，前往宁边地区监督和验证关闭核设施。至此，应该说，朝核问题的解决终于开始迈出重要的步伐。

2007年9月1日，美朝工作组在日内瓦举行会谈。朝方表达了申报所有核计划和“去功能化”的明确意愿，美方则承诺把朝鲜从“支恐国”名单中去掉。但是，在9月25日联合国大会上，小布什总统发表演讲，将朝鲜等国称为“残酷政权”(brutal regime)，表明美国对朝鲜政权的态度仍然相当负面。

2007年9月27日到10月3日，第六轮六方会谈第二阶段会议进行。六方签署了《“落实共同声明第二阶段行动”共同文件》(以下称《10·3共同文件》)，“去功能化”和“申报”是两大重点。其中要求朝鲜：一、对宁边原子能研究中心5兆瓦实验性反应堆、后处理厂(放射化学实验室)及核燃料元件制造厂进行去功能化;二、在2007年12月31日前对其全部核计划进行“完整、准确”的申报。《10·3共同文件》还对美朝、日朝进一步改善双边关系提出了要求。11月5日，宁边三个核设施开始去功能化。