9月5日，周亦云指示林娥通过秘密电台，联系已迁至中国山脉根据地的日本共产党中央，请求日共方面协助调查东北日本关东军的近期动向。然而，当时日共中央的工作重心仍集中于日本本土，在东北地区的情报搜集能力较为有限，未能发现关东军有明显的军事异动。与此同时，周亦云也向少帅发送密电，提醒其警惕日军可能采取的其他行动，强调需加强防备、不可松懈。
尽管日共方面未能提供关键情报，周亦云并未放弃对关东军动向的密切关注。他一方面命令戴立动用了己方在东北的地下情报网络，向中央进行通报，党中央在接到执行后亦云的报告后，也是十分的重视，周亦云试图从多条线索中拼凑出日军的真实意图，看日军还会不会向历史一样，发动军事行动，另一方面，则通过加密信道持续向少帅方面传递预警信息，屡次强调关东军近期频繁的军事演习与物资调动极不寻常，背后恐有更大图谋。
9月10日，沈阳、长春等多地陆续传来日军增兵的消息，似乎印证了周亦云的判断。少帅方面虽仍未公开表态，但已密令部分一线部队进入戒备状态。而此刻的日共中央，也开始尝试调动其在朝鲜及中国东北边境的有限情报资源，了解日军的动向。
1931年9月18日晚22点20分，沈阳北大营以南约800米的柳条湖段南满铁路此时的天色已晚万籁俱寂，没有人知道在这一个普通的晚上会发生一件改变世界的大事，日本关东军独立守备队第二大队的河本末守中尉，趁着夜色率领了几名日本士兵，在南满铁路柳条湖段埋设了42包小型炸药，并且将他引爆。
在他们的身后是已经做好战斗准备的日军独立守备队第二大队，他们静静的潜伏在铁路的右侧，由于爆炸的用量经过日军的精密计算，所以爆炸造成的损坏很小，很快就被早有准备的日军修复。
但日军早有准备的在现场放置了三具穿着华夏士兵服装的无辜百姓尸体，贼喊捉贼0诬蔑是华夏军队破坏了铁路，并以此作为“袭击日军的证据”。
在铁路爆炸后，埋伏在附近的日军独立守备队第二大队立即以此为借口，向华夏东北军驻地北大营发起了攻击。
此时的，东北军主力在少帅的带领下在中原大战时将主力调入了关内，在东北的兵力相对薄弱，但是相比于日军的兵力，在武器装备上仍然占据了上风，日军的在进攻北大营的时候，作为东北军精锐的第七旅在下辖3个步兵团（第619、620、621团），另有骑兵、炮兵、辎重等多个直属连队，总兵力约7,000人，装备在当时堪称一流，配备有步枪、机枪、迫击炮、平射炮，甚至拥有坦克和装甲车。
在爆炸响起的时候，旅长王以哲不在营中，三位团长中也有两位不在岗位。部队缺乏统一的指挥核心，北大营的官兵在听到爆炸声和枪声后，立即冲出营房奋起反击。但是很快接到了少帅的 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”的严令。
在无法还手、群情激愤且伤亡惨重的情况下，部分官兵（如第620团团长王铁汉）在忍无可忍后下令部队边打边撤，但已无法扭转战局。最终，第七旅被迫于19日凌晨5时许撤出北大营，向东退往山城镇。
日军在几乎没有遇到有效抵抗的情况下，于9月19日凌晨攻占北大营，与此同时，关东军主力开始向沈阳城发动总攻。留守城内的军警同样奉命不抵抗，至9月19日晨6时许，日军完全占领了沈阳全城，日军在城内掠夺了大量军政、财政物资，包括飞机、大炮、枪支弹药、银行现金等。
1931年9月18日深夜，关东军总部内气氛热烈。时任关东军高级参谋的板垣征四郎、作战主任参谋石原莞尔、参谋花谷正以及沈阳特务机关长土肥原贤二正聚集一堂，庆祝他们精心策划的军事行动。几人举杯相庆，对迅速占领中国东北地区充满信心，认为此举将奠定日本在东亚的霸权基础。
就在事变爆发前三十分钟，周亦云通过日本共产党中央获得关键情报，立即致电东北军高层，紧急提示日军可能采取行动，提醒加强戒备。
然而，这封电报却被值班人员搁置一旁，未能及时上呈。直至爆炸声震彻沈阳北大营，事变已然爆发，少帅才终于看到周亦云发来的警示电报。事后，周亦云持续致电少帅，力劝其坚决抵抗、在少帅看来，日本人是在挑衅，他并不愿意将兵力用于和日军对抗。
而是寄希望与国际调停，此时的少帅已经错误的估计了形势，他错误地认为此次事件与以往的日军挑衅类似，希望通过“不抵抗”来不给日本扩大事态的借口，同时将问题提交给国际联盟仲裁，指望西方列强出面干涉，让日军撤退，所以对于周亦云的来电并不完全认同，但这些努力最终未能扭转局势，但是少帅也安排华北地区的部队开始做好战斗准备。
与此同时，南京国民政府内部正陷入严重的政治危机，派系斗争达到白热化。汪季新南下广州，与陈、李等地方势力联合成立了广州国民政府，形成与南京分庭抗礼之势。彼时的汪季新已开始与日本方面暗中往来，日方也意图借广州政府牵制司令主导的南京中央政府。在汪与日方的相互利用下，这一策略确实产生了效果，进一步削弱了中国在应对外侮时的统一立场和抵抗能力。