夜间10时20分左右，东北军北大营西南柳条湖方向的南满铁路上，突然传出一声巨响——关东军处心积虑策划的《柳条沟计划》终于实施了。满铁铁道部的《满洲事变记录》详细地记载了爆炸发生的地点和被炸情况：
被炸处位于以大连为起点404公里440米，上行列车方向左侧铁轨接头处，从北大营西道口向南1公里50米地点。只造成轻微的破坏。以铁轨接头为中心，向长春方向切断长10厘米，向大连方向切断70厘米；在铁轨联结处前后两根枕木延伸在铁轨外侧部分，几乎全部被炸飞散。其他无异常。
也就是说，爆炸炸毁的铁路线长度只有80厘米，只有两根枕木在铁轨外侧的部分被炸坏，其余的均是完好无损。十几分钟后，一列火车还顺利地通过了这里，只是车身有些颠簸。这一切，不是机缘凑巧，而是关东军精心的计划和精湛的专业技术所致。整个计划的参与者情报官员花谷正事后回忆说：
这次爆炸不仅没有必要把火车炸翻，而且必须使在满铁线上急驰的列车免受损害。因此，让工兵进行了如下计算：在直线路段，将单侧铁轨炸掉很小一段，让高速行驶的列车，虽然暂时倾斜一下，仍能迅速奔驰而过。计算了这样的安全长度后，规定了炸药的使用量。
既制造了满铁被炸的事实，又不影响日军利用满铁进行军事运输，关东军中尉河本末守——爆炸的实施者的专业技艺令人赞叹。
实施爆炸后，河本末守向奉天特务机关报告说：“北大营西方铁路线被中国正规军所破坏。又，三四十名中国军队正向柳条沟先遣队攻击前进之中，目下，我巡逻兵正在与中国军队交战。”这样，阴谋就变成为“阳谋”，柳条沟事件以日军杜撰的版本，成为九一八事变的导火索。
接到报告的板垣征四郎，立即根据既定的计划，向关东军独立守备第2大队，下达了攻击东北军北大营的作战命令。晚11时许，由日本军部特地为关东军装备的24厘米榴弹炮，开始向北大营轰击。威力巨大的炮弹每爆炸一枚，整个北大营仿佛都被震动了。
北大营的面积很大，东西长约2000米，略呈方形。兵营四周筑有2米深的土围子和1米深的水壕。兵营内又分为若干营院，各营院均有高2米的砖墙，十分坚固。这里驻扎着东北军最精锐的部队——第七旅所辖的三个步兵团，共有官兵近万人，战斗员有六七千人，士兵训练有素，不少军官是陆军大学、保定军校、东北讲武堂的毕业生，留学日本、美国、英国的军官也大有其人。每个团都有重机枪连、迫击炮连和平射炮连。每个步兵连都配备有捷克式步枪120支，捷克式轻机枪12挺。旅司令部还有直属坦克队，有轻型坦克12辆。
当日军向北大营进逼时，睡梦中的东北军官兵在枪炮和呐喊声中惊醒。他们得不到旅长王以哲的指示。因为这位东北边防军司令长官张学良喜爱的将领，当夜没有宿在营中。参谋长赵镇藩直接打电话向沈阳城中的参谋长荣臻请示处置措施。荣臻见事态严重，向坐镇北平的张学良请示。很快，他被告知张学良正在同英国公使一起看京剧，联系不上。在这紧要情况下，荣臻脑海中浮现的是张学良避免与日军冲突的严令，于是，他给惶恐和摸不着头脑的北大营的官兵下达了这样的命令：“不准抵抗，不准动，把枪放到库房里，挺着死，大家成仁，为国牺牲。”赵镇藩鉴于有些枪本来就在士兵手中，此时收枪已不可能，于是再次请示荣臻，希望他改变命令，荣臻仍声色俱厉地说：“这是命令，如果不照办，出了问题由你负责！”
日军冲入北大营，对绝大多数连武器都没有的中国士兵进行疯狂的屠杀。可是，为了掩盖事实，也为了显示日本军人的英勇，一位名叫佐藤庸的日军上校却杜撰了如下的场面：
闯入西北角营院，川岛中队所携弹药已尽，中队长以下乃挥动白刃战斗。此时，田村正中尉向中队长左边一黑影砍去，将敌之头劈成两半。一敌举枪向刀响处欲射，田村中尉“咄”的一声，举手挥刀将敌左手砍断，使彼枪支落地，继而，斜劈其头，毙其性命。谷川照一军曹亦毙敌3人，追赶逃者，冲入兵舍内。田村中尉刺杀门口之敌，冲入室内，电灯仍亮，敌兵4人前来对抗。谷川军曹与传令兵2人毙敌3名。田村中尉举刀砍向右边一敌，劈其面颊欲死，然敌仍以左手握住我刃，以右手欲刺。此一刹那，谷川军曹奔来，刺杀此敌。
这位想像力极强的日本军人，竟然编出这么一大段“天才”的文字，不知是否他脑子里日本武士挥动日本刀杀人的臆想太多了。
但当日军高桥第四中队向东北军第七旅六二零团发动攻击时，却遭到了一些抵抗。原来，团长王铁汉也同样接到了不准抵抗的命令，他却与荣臻争辩起来，荣臻没有办法，只得命令他可将部队撤出营房。正在准备撤退时，日本人攻了进来，王铁汉当即下令还击。这也是当天晚上日军进攻北大营时遭遇的惟一一次抵抗。但在主要武器已被收走的情况下，这种抵抗不可能是有效的。
到19日凌晨5时半左右，日军在付出个别人员伤亡的情况下，就占领了北大营。
在关东军第二大队开始攻击北大营时，关东军步兵第二十九联队也作好了出击准备。接到板垣征四郎的命令后，他们于19日零时40分起，对沈阳发动了进攻。
东北军驻扎于北大营，所以沈阳城只由6000多名军警，他们也无一例外地接到了不抵抗的命令。见到日本开始发动进攻，辽宁省政府多次向日本驻沈阳总领事馆进行交涉。每当日军推进到一个新的战略地点，省政府就在事先声明不抵抗政策的前提下，试图向这些平时自己的老相识们问个究竟，可日本领事总以“破坏满铁系中国军队所为，责任在中国”，或“军人行动，领事无权过问”为由，随意搪塞。就这样，一次又一次地，仿佛中国辽宁省政府在向它的“上级”——日本总领事馆报告日军推进的情况。
接到动武的消息，关东军司令部上下一片欢腾。司令部紧急会议立即召开了，参谋长三宅治光主张，“按平时作战计划把我军主力迅速集中于奉天，先发制人，击溃最精锐的奉天附近之敌。”他还不知道，最精锐的中国军队已经自动缴械了。石原莞尔也建议“关东军应断然全力行动，迅速制敌中枢于死命。”最后，本庄繁司令官做出了“关东军全线出击，攻击奉天军”的决定。
在发动对沈阳的进攻的同时，日军还发动了对东大营的进攻。东大营是东北军讲武堂所在地，在沈阳城西约10公里，驻有教职员、学员和其他部队约3000人，并配备有相当数量的武器弹药。事变发生后，东大营的学员听到了枪炮声，当时教官们均不在，学生训练队队长森大木用电话请示荣臻，同样得到了不抵抗的命令。不久后，从北大营逃出的第七旅官兵陆续到来，学员与他们一起向东撤去。正午时分，日军占领东大营后，沈阳也陷落了。
沈阳陷落后，9月19日上午，日军以司令官本庄繁的名义张贴上事先印好的《日本军司令官布告》，首先诬指中国军队制造爆炸事件，袭击日本守备队；接着声称东北方面对侮日行为不加约束，“非严惩之，或恐有其结果不可测知者”；最后还做出进一步恐吓：“然倘有对我军行动欲加妨害者，本军毫无所看过，必出断然处置”。
关东军于9月22日以“军部决心要根除奉天中国方面官宪与平时煽动排日活动的团体魁首之政治及军事阴谋”为由，发布命令逮捕辽宁军政人员，辽宁省主席臧式毅、东北军参谋长荣臻、第七旅旅长王以哲等大名，均赫然见于逮捕人员名单之上。但荣、王等人都已化装逃出了沈阳，臧式毅因自愿留了下来而遭日军软禁。
5月底，张学良因患伤寒病，住进了北平的协和医院。9月18日晚，他大病初愈，偕夫人于凤至和赵一荻小姐，与英国公使一同，在前门戏院观看由京剧大师梅兰芳主演的《宇宙锋》。听到报告后，他连忙赶回医院听电话，并做出了不抵抗的决定。一年前的9月18日，正是他发出巧电，表示“吁请各方，即日罢兵，以纾民困。至解决国是，自有正当之途径”，对正在进行的中原大战进行武装调停，随即引10万大军入关，表示了对蒋介石最大的支持。1930年11月12日，当张学良偕夫人于凤至等抵达南京时，受到了极为隆重的欢迎和接待。蒋介石以对等的身份，而不是以对待下属的方式热情地欢迎他。可以说，张学良政的治生涯达到了最辉煌的顶点。可是一年后的同一天，他却注定了要背负“不抵抗将军”的骂名，不得不黯然下野。从此，张学良四处飘零，并且再也没有回过自己的老家东北。
事变发生的当晚，荣臻正在忙于为其父做寿；黑龙江省主席、东北边防军副司令长官万福麟也留驻北平，黑龙江省军政大权交其子万国宾代理，他在北平遥控，当时他最关心的是尽快将眷属家财由齐齐哈尔再转天津；吉林省主席兼东北边防军副司令长官张作相，因父殁回锦州治丧，由军署参谋长、省府委员熙洽代理；在沈阳城内的东北及辽宁省各机关军政要员，事变前也大半不在岗位。