Tuy nhiên, kế hoạch cho sáng kiến mới này nhanh chóng bị lấn át bởi một cuộc khủng hoảng hạt nhân tái diễn ở Triều Tiên.
Trước những bằng chứng cho thấy Triều Tiên có thể đang âm thầm phát triển chương trình làm giàu urani, các quan chức của chính quyền Bush giáp mặt với Triều Tiên trong một cuộc gặp vào tháng 10/2002 tại Bình Nhưỡng.
Trong cuộc gặp này, Thứ trưởng Ngoại giao Triều Tiên Kang Sok Ju được cho là đã thừa nhận và biện hộ cho việc Triều Tiên vẫn đang tiến hành chương trình làm giàu urani (sau đó Triều Tiên phủ nhận điều này).
Trong cuộc gặp này, Mỹ tuyên bố Triều Tiên đã vi phạm Khung Thỏa thuận và dừng các chuyến tàu vận chuyển nhiên liệu cho Bình Nhưỡng. Đáp lại, Triều Tiên năm 1994 tuyên bố hủy thỏa Khung Thỏa thuận, rút khỏi Hiệp ước không phổ biến hạt nhân vào tháng 1/2003 và bắt đầu tái xử lý plutoni.
Đáp lại, Mỹ sử dụng phương thức hai mặt trận. Một mặt, Mỹ, Trung Quốc và Triều Tiên bắt đầu đàm phán ba bên về chương trình hạt nhân của Triều Tiên vào tháng 4/2003, rồi sau đó cơ chế đàm phán này mở rộng thành đàm phán 6 bên để bao gồm Nhật Bản, Hàn Quốc và Nga.
Mục tiêu của Mỹ khi tham gia cuộc đàm phán này là “dỡ bỏ hoàn toàn, không thể đảo ngược và có thể kiểm định” chương trình hạt nhân của Triều Tiên. Mặt khác, Mỹ lập ra “Sáng kiến kiểm soát các hoạt động bất hợp pháp” nhằm chặn đứng các con đường kiếm ngoại tệ bí mật của Triều Tiên.
Sau 2 năm với tiến triển ngoại giao ít ỏi, vào ngày 19/9/2005, đàm phán 6 bên đưa ra “Tuyên bố chung”, trong đó Triều Tiên cam kết từ bỏ các chương trình hạt nhân và quay lại Hiệp ước không phổ biến hạt nhân để đổi lấy hỗ trợ lương thực và nhiên liệu từ các thành viên của cơ chế 6 bên.
Tuyên bố này cũng vạch ra thước đo cho các cuộc đàm phán trong tương lai, trong đó có việc bình thường hóa quan hệ với Mỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc. Không lâu trước khi cuộc đàm phán hoàn tất, Bộ Tài chính Mỹ tuyên bố ngân hàng Banco Delta Asia (BDA) trụ sở tại Macau là “mối lo ngại hàng đầu về rửa tiền” vì đã hỗ trợ tài chính cho các hoạt động ngầm của Triều Tiên, dẫn đến việc chính quyền Macau đóng băng khoảng 24 triệu USD trong tài khoản của Triều Tiên.
Tác động của Tuyên bố chung năm 2005 biến mất gần như ngay lập tức do những tranh cãi về thời gian triển khai chương trình hạt nhân dân sự (Tuyên bố chung nói mơ hồ rằng lò phản ứng hạt nhân dân sự sẽ được thảo luận “vào thời gian thích hợp”).
Tiến trình đàm phán xấu đi khi Triều Tiên bị hạn chế tiếp cận hệ thống tài chính quốc tế sau vụ ngân hàng ở Macau và việc Bộ Tư pháp Mỹ gây sức ép với các thể chế tài chính ở nước ngoài để họ không làm ăn với Triều Tiên.
Tháng 7/2006, Triều Tiên thửa hàng loạt tên lửa đạn đạo, trong đó có tên lửa tầm xa Taepodong-2. Hội đồng Bảo an LHQ thông qua Nghị quyết 1695 trong đó lên án và kêu gọi Triều Tiên lập tức trở lại đàm phán 6 bên.
Tháng 10/2006, Triều Tiên thực hiện vụ thử hạt nhân đầu tiên, với sức công phá chưa đến 1 kiloton. Hội đồng Bảo an thông qua Nghị quyết 1718 dựa trên Chương VII của Hiến chương LHQ nhằm triển khai hàng loạt biện pháp cấm vận quốc tế.
Tuy nhiên, tiến trình ngoại giao về chương trình hạt nhân của Triều Tiên nhanh chóng được khôi phục. Đàm phán 6 bên được nối lại vào giữa tháng 12/2006, sau hai vòng đàm phán song phương Mỹ - Triều Tiên vào tháng 1 và vòng 3 của sáu bên vào tháng 2/2007.
Cuộc gặp vào tháng 2 đạt được “Những hành động bước đầu để triển khai Tuyên bố chung”, trong đó kêu gọi Triều Tiên đóng cửa cơ sở Yongbyon và đưa ra một tuyên bố về tất cả các chương trình hạt nhân của họ. Đổi lại, Mỹ sẽ khởi động quá trình đưa Triều Tiên khỏi danh sách các nước tài trợ khủng bố và ngừng trừng phạt Bình Nhưỡng theo Đạo luật thương mại với kẻ thù.
Các thành viên của cơ chế đàm phán 6 bên cũng sẽ cung cấp dầu nhiên liệu cho Triều Tiên. Ngoài ra, các nước thuộc cơ chế này sẽ lập ra các nhóm công tác để thảo luận cụ thể việc triển khai thỏa thuận.
Cơ chế đàm phán 6 bên tiếp tục diễn ra vào tháng 3/2017 nhưng bế tắc sau khi Triều Tiên từ chối đàm phán cho đến khi họ nhận được khoản tiền bị đóng băng ở ngân hàng BDA.
Khoản tiền này được chuyển về Triều Tiên vào tháng 6 năm đó và các quan sát viên của IAEA được vào Triều TIên để giám sát và thẩm định việc đóng cửa cơ sở hạt nhân Yongbyon. IAEA xác nhận cơ sở này đóng cửa vào tháng 7/2007 và Triều Tiên bắt đầu dỡ cơ sở hạt nhân tại Yongbyon vào tháng 2 năm đó.
Đàm phán tiếp tục đến tháng 4/2008, khi chi tiết của kế hoạch Hành động giai đoạn 2 được đưa ra. Tổng thống Bush ngừng cấm vận Triều Tiên vào cuối tháng 6. Triều Tiên đưa ra một tuyên bố vạch rõ quy mô chương trình hạt nhân của họ vào tháng 6/2008 nhưng bị coi là không hoàn thiện vì chỉ nói đến việc sản xuất plutoni mà không nói về chương trình làm giàu urani.
Dẫu vậy, các nhà đàm phán Mỹ quyết định đi tiếp với cơ chế đàm phán 6 bên, chấp nhận tập trung vào việc sản xuất plutoni của Triều Tiên để sau này sẽ xử lý chương trình làm giàu urani của Triều Tiên bằng một cơ chế kiểm chứng đáng tin cậy.
Trong một sự kiện có sự tham gia của các chuyên gia Mỹ, Triều Tiên đập vỡ tháp làm mát ở lò phản ứng Yongbyon. Sau một thỏa thuận miệng về cách thức kiểm chứng, Triều Tiên được đưa ra khỏi danh sách các nước tài trợ khủng bố vào ngày 11/10/2008. Tuy nhiên, Triều Tiên sau đó bác bỏ tất cả các biện pháp thẩm tra toàn diện, trục xuất các quan sát viên quốc tế khỏi cơ sở Yongbyon. Kết quả là tiến trình đàm phán 6 bên sụp đổ.
