柳条湖位于沈阳内城以北2.5公里处，在沈阳站与文宫屯站之间，关东军之所以选择这个地方作为爆破地点，其原因有二：一是这里较为偏僻，便于行事；二是距东北军北大营较近，便于诬为中国军队破坏，也有利攻击。

    18日22时20分，炸药点燃，一声巨响，震荡长空，炸毁一段路轨。以爆炸声为信号、早已准备好的全副武装的日军便向预定目标攻击，同时沈阳站附近的日军大炮也向北大营猛烈轰击。23时46分，花谷正以土肥原的名义给旅顺关东军司令部发出第一份电报，谎称中国军队在沈阳北部北大营西侧破坏了铁路，袭击日本守备队，日中两军在冲突中。接到电报后，关东军司令官本庄繁、参谋长三宅光治、参谋石原莞尔等人紧急研究对策，一致认为此时是诉诸武力的“绝好机会”，本庄繁当即决定，按照预定的计划，迅速将主力集中到沈阳，先发制人，“惩罚”中国军队，占领东北三省。

    19日凌晨1时30分至2时之间，本庄繁向关东军下令：驻辽阳第二师，驻公主岭独立守备队第一、第五营等迅速开往沈阳，攻击该地中国军队；驻长春步兵第三旅准备进攻长春。同时，还向驻朝鲜日军求援。最后，本庄繁将他的命令及战况正式报告给军部。为了便于指挥，19日凌晨3时30分，本庄繁率领关东军司令部火速赶往沈阳。

    9月18日夜，日本在沈阳的驻军只有独立守备队第二营和第二师的第二十九团，人数仅几千人。柳条湖事件发生后，日军连夜向沈阳增兵。驻扎在铁岭的部队，于19日凌晨4时到达沈阳，配合第二营于5时30分占领北大营；与此同时，驻扎在海城和辽阳等地的第二师所属部队及师长多门二郎也于19日凌晨5时抵沈阳，与原来驻在沈阳的第二十九团一起行动，6时30分占领沈阳内城。然后该师又与独立守备队采取联合行动，向距沈阳10公里的东大营进攻，日军南北夹击，东北军和讲武堂学员不战而退，中午12时许，日军占领了这个东北军的第二大营。由于东北军绝大多数部队执行了蒋介石“不准抵抗”的命令，一夜之间，日本侵略军便轻而易举地占领了沈阳城。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。   

    9月18日夜里，关东军在南满铁路沿线展开了全面攻势。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“毋须抵抗”的命令下含愤撤退。当日22时许，长春陷落。