早在1930年冬，关东军作战主任参谋石原莞尔就准备把柳条湖作为挑起武装侵略的地点。1931年春，关东军高级参谋板垣征四郎等人订出了制造柳条湖事件的概略设想。同年6月，板垣征四郎和石原莞尔将爆破任务交给了奉天特务机关辅助官花谷正少校和曾经担任张学良顾问的柴山兼太郎的助理官今田新太郎上尉，让他们负责组成爆炸铁路的秘密班子及有关事宜。不久，奉天宪兵队长三谷清中校也参与其事。今田把工兵出身、熟悉爆破技术的河本末守中尉，从独立守备队第2营第3连（驻虎石台）调到柳条湖分遣队，并当面向他下达密令。计划在爆炸铁路的同时，攻击北大营，在一夜之间占领沈阳城。这一任务分别由独立守备第2营营长岛本正一中校（驻沈阳）及其所属的第1连连长小野正雄上尉（驻沈阳）、第2连连长川上精一上尉（驻抚顺）、第3连连长川岛正上尉和第2师的第29团团长平田幸弘中校（驻沈阳）、奉天宪兵队队长三谷清中校（驻沈阳）负责。
制造事件的时间确定为9月28日。但是到了9月中旬，“柳条湖事件”的计划在日本国内暴露。陆军大臣南次郎等派参谋部作战部长建川美次少将前来东北，转达军部不同意在近期内发动事变的意见。建川美次是在8月间军部人事调整时担任该职的，是参与策划在东北发动事变的人物之一。9月15日，他在启程之前有意向参谋部俄国组组长桥本欣五郎等人泄漏军部的意图。桥本立即利用建川与板垣之间使用的私人密码本，向板垣接连发了3次密码电报。第一次说：“事暴露，立刻坚决行动”；第二次说：“在建川到达沈阳前，应坚决行动”；第三次说：“国内不用担心，应坚决行动。”板垣接到桥本的电报后，与石原、花谷、今田等人反复研究，因得知建川预定在9月18日傍晚抵达沈阳，便决定提前在9月18日发动事变。
1931年9月18日深夜，沈阳北部柳条湖一带，一轮弯月斜挂天际，虫声啁啾，分外寂静。突然，日军铁道守备队的河本末守工兵中尉率领一小队日本士兵，用枪逼着抓来的几名中国百姓，来到南满铁路柳条湖附近的铁路上，逼他们换上东北军军装，又将事先准备好的黄色炸药安放在长春至大连的铁路单侧轨道上，晚10点20分揿动爆炸开关，只听轰然一声巨响，一段铁轨被炸断。日军不由分说，向刚刚换上东北军军装的中国平民开枪射击，河本末守命人立即拍照，制造了中国军队破坏南满铁路的假现场。这时，按照日本军部事先策划好的阴谋，埋伏在柳条湖以北四公里外的日本独立守备队四个中队，听到破坏铁路的爆炸声，立刻号叫着向北大营扑去。与此同时，事先从日本运来的两门榴弹重炮对准北大营猛烈开炮，关东军第2师团步兵第29联队也凶猛地向沈阳城垣发动进攻……霎时间，沈阳城枪声四起，大炮轰鸣，由日本人一手挑起的一场侵略战争就这样打响了。
当时，东北军部分主力虽随张学良进关，但仍有18万人之众，由著名将领王以哲率领的第7步兵旅，很有战斗力，而日本关东军不过两万余人。因此，当时如若奋力抵抗，决不会让日军的阴谋顺利得逞。
当日寇突然袭击东北军驻北大营第7旅时，因王以哲旅长不在军中，参谋长赵镇藩当即一面下令部队进入预备阵地，一面给王以哲家打电话，并用电话直接向东北边防军参谋长荣臻报告。荣臻却命令：“不准抵抗，把枪放在库房里，挺着死”。
面对日本侵略者的猖狂进攻，第7旅官兵持枪实弹，狂呼若雷，群请一战。但长官却根据蒋介石“不抵抗”的命令，不准擅自行动。东北军爱国官兵义愤填膺，抱枪痛哭，挥拳击壁，痛不欲生。日寇见此，兽性大发，用机枪猛烈扫射放弃抵抗的中国官兵，当场死亡近千名。爱国官兵忍无可忍，违抗军令，毅然开枪还击，杀出一条血路撤出沈阳。第7步兵旅一撤，沈阳便在9月19日凌晨陷于日寇之手。东北边防军长官公署、辽宁省政府、兵工厂、飞机场及一切重要军政机关和东三省官银号等悉被占领，所有驻省城的军警均被缴械。仅沈阳兵工厂即损失步枪15万支，手枪6万支，重炮、野战炮250门，各种子弹300余万发，炮弹10万发。东三省航空处积存的300架飞机，尽为日军掠去；其唯一的金库所存现金7000万元，亦被洗劫一空。
对于北大营战斗的悲壮场面，指挥战斗的赵镇潘参谋长回忆说：“我军与敌人激战到下半夜三点多钟，伤亡颇多……敌人已从南面突入营垣。我当即命令旅的卫队连，反击突入营垣之敌……接着旅部前后都发现敌人，展开了巷战，我始下令突围……在抗击敌人进攻的战斗中，第7旅的大多数军官和广大士兵都是英勇的，他们奋不顾身地抗击着装备优良、人数众多的日军的进攻，他们还不知道国民党政府已经给他们的长官下了可耻的不抵抗主义的命令，因此，他们一面反击敌人，一面问：‘兄弟部队为什么不前来增援呢？’‘我们的飞机为什么不起飞参战呢？’及至撤出北大营，他们还很关心地问：‘我们几时反攻回来呢？’这说明了广大的东北军的军官和士兵是爱国的。”
就在进攻沈阳的同时，关东军在南满铁路沿线也展开了全面攻势。19日，日军攻占南满、安奉两铁路沿线的重要城镇营口、田庄台、盖平、复县、大石桥、海城、辽阳、鞍山、铁岭、开原、昌图、四平街、公主岭、安东、凤凰城、本溪、抚顺、沟邦子等地。19日凌晨4时，日军向长春发动总攻，中国守军奋起抵抗，后在吉林军署参谋长熙洽“无须抵抗”的命令下含愤撤退。当日22时许，长春陷落。
21日上午，关东军司令官本庄繁做出攻占吉林的决定，占领长春的日军第2师奉命乘装甲列车于当日下午抵达吉林。由于吉林省代理主席、军署参谋长熙洽叛国降日，中国军队退出吉林，所以日军第2师兵不血刃占领了吉林。
从9月18日至25日一周内，关东军占领辽宁、吉林两省的30座城市，并完全或部分控制了12条铁路线，完成了“九一八”事变军事进攻的第一阶段任务。
蒋介石在“九一八”事变发生时，正和宋美龄在江西南昌部署对红军进行新的“围剿”。当日深夜，当蒋氏夫妇做完祈祷、准备更衣入睡时，接到了日本发动沈阳事变的电报。当晚，蒋介石匆忙召集谋士研究对策。会后蒋介石仍然坚持不抵抗政策，还决定设立特种外交委员会，任命戴季陶为委员长，宋子文为副委员长，顾维钧为秘书长，任命陈立夫、孔祥熙、丁惟汾、于右任、颜惠庆、李石曾、罗文干等人为委员。为遮人耳目，蒋介石以国民政府主席兼行政院长的身份，指示外交部对日本提出“文明抗议”。
9月19日，中国政府向日本政府提出“严重抗议”。9月20、23日，中国政府又接连向日本政府发出第二、第三次抗议照会，谴责日本政府忽视中国抗议，使侵略事态日益扩大，严重破坏东亚和平，要求日本政府停止一切侵略行动。
但日本政府对中国的声明不做正式答复，只于9月24日发表《日本对于满洲事变的第一次政府声明》，以贼喊捉贼的伎俩，胡说“9月18日夜半，在奉天附近的一部分中国军队破坏了南满铁路的路轨，袭击了日方守备队，以致发生冲突”，竟称日本“认为有必要先发制人，以铲除危险的根源”。
蒋介石在抗议无望的情况下，又把一切希望寄托在国际联盟上。那时候，国际联盟正在日内瓦召开理事会会议，中国于9月14日当选为非常任理事国。
“九一八”事变的第二天，南京政府外交部通令中国驻外各使领馆说：“仰向驻在国政府切实接洽并探询其态度，迅速电复为要。”并指示中国代表施肇基将东北事件报告国联，请其主持公道。9月21日，中国外交部指示出席国联理事会的中国代表施肇基，根据国际联盟盟约第十一条的规定向国联提出照会。
蒋介石为对付国内日益高涨的抗日救亡运动，把向国联的申诉吹得天花乱坠，说什么“此为一外交之转机……如天果不亡吾中国，则此次外交当不致失败也。中国应忍痛含愤，暂取逆来顺受态度，以待国际公理之判断”。
面对中国的申诉，日本为摆脱在国联大会上的不利处境，大肆对美、英、法、德、意等常任理事国展开外交活动，鼓动西方列强采取绥靖政策。
日本驻美大使出源胜次立即奉命去见美国国务卿史汀生，以苏联的共产主义威胁为借口，向美国说：“苏俄是日、美两国的共同敌人，日本占领满洲的作战计划，就是日本参谋本部拟定的日军对苏作战总计划的最重要的组成部分。”史汀生对此极为赞成，但因日本发动侵略东北的战争，威胁了美国的在华利益，便以强硬语调指出：“日本要把东北变为自己的独占殖民地，这是公然以武力破坏凡尔赛—华盛顿体系的重大行动，破坏了列强在远东的均势，美国政府决不能置之不理。”“只要美国不插手满洲事变，日、美两国在中国问题上，什么事都好商量。”史汀生一见日本是这种态度，为借日本力量削弱苏联，经过讨价还价，对日本所提条件可予以同意，只附加一点：日本的军事占领应限于锦州以北，不可再往南进。
日本与美国做成私下交易后，又命出席国联会议的代表芳泽谦吉去做在国联理事会有举足轻重影响的英、法两国的工作，向英、法保证：日本进攻中国东北只是想“充当远东的防共宪兵，防止共产主义在远东蔓延”。于是，英、法对“九一八”事变亦采取偏袒日本的态度。
其实，中国代表施肇基在提交国联大会的申诉中，态度相当的温和：申诉既不指控日本为侵略者，也不要求对日本进行制裁，只要求各国阻止形势恶化，恢复“九一八”事变前的状态。即使这样，日本也决不接受。因为此时他们已经摸到了西方列强的底牌。不但不接受，日本代表芳泽谦吉还倒打一耙称：“据日本所获情报，此项发动，或如所称之‘偶然事变’，乃因中国军队毁坏沈阳附近日本铁路所致。因之，日本军队之行为以及占据数处村庄，皆为防卫之性质。”芳泽谦吉还颠倒黑白、混淆视听说：“此次事变显为一种地方事件，日本政府已明令日本军队司令官采取必要步骤，阻止扰乱之扩大。余向国联行政院保证，日本政府并无扩大情势，或对中华民国开战之意。余确信此次纠纷，定可由中、日两国政府直接交涉，达于和平之解决。如干涉过早，结果必不堪设想，徒足鼓起日本已激昂之舆情，有碍和平之解决。”中国代表施肇基提出，为验证中、日两国谁的报告属实，可由国联派出调查团到东北视察。西方各国因与日本私下搞了卑鄙交易，就由美国出面反对说：“这种行动足以刺激日本国民的情绪，反使自由主义者陷于不利的地位。”由于美、英等列强推行绥靖主义，此次会议仅通过对理事会主席、法国外长白里安的授权：“一、紧急通知中、日两国政府，要求双方都不采取足以使事态恶化和妨碍和平解决的任何行动；二、商同中、日两国代表，寻求适当解决办法，可使两国立即撤兵，而不危及两国人民生命财产的安全。”。
日本关东军占领沈阳、长春、吉林等地后，日本陆军中央部于9月23日内定了“关于军事占领地的范围”，还规定了几条逐步扩大的军事占领界线。第一道是最小限度的所谓满铁两侧“警戒线”：西线为辽河一线，即以郑家屯、新民、营口为界；东线以吉林、海龙为界。第二道是可以向外扩张的所谓满铁两侧“警戒线”：西线以洮南、通辽、大虎山为界，东线以敦化及延边地区为界。第三道是哈尔滨和延边地区。对后两个地区，仍以保护侨民为借口，暂由外交官出面交涉。日本实际上已放弃“不扩大方针”，变本加厉地扩大侵略战争，以便迅速占领整个东北地区。
日军轰炸东北行政中心锦州的军事行动，使英、美等国看清了日本根本就没有停止战争的诚意，其态度开始发生变化。于是，理事会主席、法国外长白里安提出一项决议草案，要求日军在11月16日前撤退到满铁区域之内。
为了应付外交上的被动局面，芳泽谦吉坚持要求进行日、中两国直接谈判，声称日本已确定解决日、中问题的五项基本原则。英、法代表追问其主要内容，芳泽却拒不回答。