1931年9月18日深夜22时20分左右，日本关东军铁路守备队柳条湖分遣队在奉天(今沈阳)北面约7500米处的南满铁路柳条湖段引爆炸药，炸毁了一小段铁路，并将3具身穿东北军士兵服装的中国人尸体放在现场，诬称中国军队破坏南满铁路并袭击日军守备队，并以此为借口，进攻中国军队驻地北大营。

坐镇沈阳的东北边防军司令长官公署中将参谋长荣臻根据张学良的指示，命令东北军“不准抵抗”。因此北大营的8000名守军竟被只有300人的日军击溃。同时，关东军第2师团第3旅团第29联队进攻奉天，至9月19目10时，日军先后攻占奉天、四平、营口、凤凰城、安东等18座城镇。

当时东北军在东北有正规军16.5万人、非正规军4万人，总共约20万人。但大都集中在从山海关到辽河的北宁路沿线及中东路沿线，在东北腹地以及与朝鲜接壤的地区只有约2.3万人。而日军在东北的关东军正规部队有1.5万余人，另外有在乡军人和警察等非正规部队约1万余人，总兵力约2.7万人，基本都部署在南满铁路沿线。对比双方的兵力和部署可知，中国方面在面对突发情况时就处在很不利的状态。

由于张学良在1930年的中原大战中出兵支持蒋介石，帮助蒋介石最终赢得这场战争，因此被委以陆海空军副总司令的高位，节制辽、吉、黑、晋、察、热、绥、冀八省军队，不但是东北，就连华北的北平、天津、青岛三市及河北、察哈尔两省的军政大权都是张学良一手掌管，所以九一八事变时张学良身在北平的陆海空军副总司令行营，并不在东北。

但是即便在9月20日，沈阳及四平、营口等城镇相继沦陷后，张学良依然还有翻盘的机会。他迅速将东北边防军司令长官公署从北平迁到锦州，直接指挥在锦州和辽河一线的约20万东北军主力。此时，黑龙江省的正规军1.5万和非正规部队1.8万，正在马占山的领导下坚持抗击日军；吉林省的正规军也有约3.5万人在李杜、丁超等人的领导下抵抗日军的侵略。就连东边道镇守使于祉山这样的大汉奸，当时也在首鼠两端——同时和日本人、张学良联络，观察形势发展，以便决定自己的最终选择。因此虽然日本关东军1931年底占领了一些城镇，但远远谈不上完全控制东北。

日本内部也有不同意见。日本陆军的最高指挥机关参谋本部就不同意在东北大举出手，所以连下四道命令，要求关东军返回原来驻地。日本政界更是不少人把关东军这种擅自行动的“下克上”行为认为是“叛逆”。就是在关东军内部也有一部分人只希望占领根据有关条约即将于1932年租借到期的旅顺和大连地区，也就是“关东州”，而不是吞并整个东北。