１９３１年９月１８日晚，关东军独立守备队第２大队第３中队队副河本末守中尉带领７名士兵到北大营西南８００米的柳条湖，将４２包黄色炸药设置在南满铁路的轨道上。１０时２０分，轰隆一声巨响，炸坏一米半长的一段钢轨和两根枕木，然后诬称是中国东北军所为。早已埋伏在北大营外围的日军向东北独立第７旅驻地北大营发起进攻。于是“九一八”事变完全按照关东军的预定计划爆发了。
板垣征四郎在沈阳以关东军司令官先遣参谋的名义代行发布“扫荡北大营之敌，进攻沈阳城”的命令。日军设在第２大队营房内炮兵阵地即开始向北大营及东塔机场射击，日军独立守备第２大队向北大营进攻，第２９联队向沈阳城进攻。当时第７旅旅长王以哲及所属２个团长均不在军中，该旅参谋长赵镇藩一面指挥部队抵抗，一面用电话向东北边防军参谋长荣臻报告，但接到的命令说：“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。”然而第７旅的广大官兵是爱国的，他们不知道国民政府已经给他们的长官下达了可耻的不抵抗的命令，他们自发地奋起抵抗。日军“虑营内设伏，为激烈之反抗，故前线步兵不敢十分挺进，只以极猛烈之炮火相恫吓”。到１９日凌晨２点多，铁岭、鞍山的日本守备队相继来到，敌人兵力增加，猛烈进攻。中国官兵到下半夜３点多钟撤退到东山咀子集结待命。５时３０分，北大营被日本占领。东北军参谋长荣臻见事态严重，以急电向张学良告急。张向蒋介石请示。曾多次指示对日本寻衅不予抵抗的蒋介石这时却复电张学良“相应处理”。张学良虽已觉察到日军有侵犯东北的可能，但他判断错误，未料到日本会侵吞整个东北三省；同时还认为这可能是日关东军的挑衅，是局部行动，判断“日本政府会控制关东军”，“不想扩大事态”，因而遵照蒋介石９月１２日在石家庄“只有提请国际联盟主持正义和平解决”和“一律不抵抗”的指示，复电荣臻：“以尊重国联和平宗旨，避免冲突”。而就在蒋介石和张学良指示中国军队不抵抗、幻想妥协求和之时，在旅顺的本庄繁于１９日１时２０分向关东军下达了侵占东北的战斗命令。其主要内容为：“（一） 第２师团立即率师团主力向奉天集中，攻击该地中国军队。（二） 步兵第３旅团长指挥步兵第４联队、骑兵第２联队警备长春，并作好攻击该地区附近中国军队的准备。（三） 独立守备队司令官率守备第１、第５大队向奉天前进。（四） 守备第３大队攻占营口。（五） 守备第４大队攻占凤凰城与安东。（六） 守备第６大队派出两个中队至奉天，归第２师团长指挥。”与此同时，还致电朝鲜军司令官，通报沈阳战况，并请求派兵支援。尔后即率关东军机关和驻旅顺的步兵第３０联队及重炮兵大队等，于１９日中午到达沈阳。４时４５分，日本第２师团长多门二郎率兵赶到沈阳，马上占领了兵工厂、飞机场和东大营。拂晓，日军第２９联队由西南角城墙豁口进城，一面用机枪扫射，一面抢先占领无线电台、各银行及各重要机关，于１９日晨６时半完全占领沈阳。
沈阳沦陷后，大批财产和军用物资全部被日军掠去。仅以沈阳兵工厂为例，日军掠去各类步枪近万枝、各类机枪２５００余挺、各类炮近６００余门，还有数不清的子弹、炮弹等。东北空军的新旧飞机２６０多架已全为日军掠获。其他如工厂、驻军、长官分署等单位的武器也大都落入日军之手。至于物资、财产方面的损失，更是无法统计。这些都是由于实行“不抵抗”政策，才白白拱手交给敌人的。
关东军在占领沈阳的同一天，又按事先制定的作战计划，向长春以南的铁路沿线的重要城镇进行突然袭击，侵占了安东、凤城、本溪、辽阳、海城、营口、抚顺、铁岭、四平、公主岭以及其他重要城市。
长春是吉林北部的咽喉，同时也是南满铁路的终点。因此，日本侵略军要占领吉林必先占领长春，要侵占黑龙江也必须先占领长春，作为进攻的后方基地。“九一八”事变之前，驻在长春的日本军队有第４联队的２个大队、独立守备队第１大队的１个中队，总兵力仅约１０００名。中国东北军在长春的部队有驻在南岭的穆纯昌炮兵团和任玉山步兵第５０团，约７０００人，火炮３６门；在长春北宽城子驻有步兵第１６３团１个营，约６５０名边防军；长春城内驻有省防军７００余人。中日双方兵力、兵器对比，中国军队占有明显的优势。特别是南岭的炮兵团有３６门野炮，如果同时开火，则长春附近地区的日军将受很大损失。因此，日军在事变前制定作战计划，即已决定采取突然袭击的方式，一举攻占长春，并在事变前进行过多次实兵演习。可是由于东北军政当局麻木不仁，９月１８日事变的当天晚上，长春的驻军毫无戒备，都安然进入梦乡。
当日军在沈阳发动进攻时，驻长春的日军立即奉命动员。为增加日军的力量，所有的日本警察、在乡军人、青年联盟成员和“满铁”的大雄蜂会成员也都发枪待命。为集中兵力攻下长春，驻公主岭的日骑兵第２联队急行军开到长春，配合第４联队行动，对东北军的驻区采取全面围攻的态势。
日军进入的目标，首先指向对其威胁最大的驻南岭炮兵团。１９日５时，日军第４联队第２大队的２个中队接近一营驻地。此时东北军刚刚起床，当发现日军袭击时，便利用窗口进行抗击，但由于无准备、无组织，一时出现混乱。日军冲进后首先将该营１２门火炮破坏。该营战至６时４０分，突破围墙撤退。尔后日军便集结兵力，分左右两翼从北面进攻炮兵第２营、第３营。由于守军依托营防工事坚决抵抗，日军进攻受挫，被迫停攻待援。
上午１０时，从公主岭赶来增援的日军独立守备第１大队与第２大队会合后，在炮兵轰击掩护下，分左右两翼向步兵第５０团及炮兵第２营、第３营进攻。守军利用营房的窗户、通气孔等一切可以利用的枪眼猛烈还击，使日军颇有伤亡。战至下午１时，日军守备第１大队长小河原浦治中佐受重伤，其第３中队长桥本茂大尉及机枪小队长芦田芳雄少尉被击毙。东北军乘机发起反攻。日军将所有预备队投入战斗，连通信班也“展开突击”。经过几个小时的激战，东北军伤亡既重，又无后援，１５时，不得不退出南岭营房。日军以死４３人（内军官２人）、伤５５人（内军官３人）的代价占领了南岭。
日军第４联队主力向驻宽城子的独立第２３旅的１个营进攻。本拟突袭，因该营已有准备，改为强攻。激战至上午８时３０分，日军从北、东两个方向迂回进攻。营长傅冠军重伤后牺牲，士兵伤亡亦众。在日军炮火不断轰击下，守军被迫于１１时许放弃营房撤退。
长春城内驻有省防军７００余人。独立第２３旅旅长兼吉长镇守使李桂林闻风逃走，驻军被日军缴械。日军于１９日占领长春，其第２师团司令部遂移至长春。２０日，海城的日军野炮第２联队的１个大队及旅顺日军步兵第３０联队均集中于长春。驻朝鲜日军也正企图越境进入东北，准备向吉林及黑龙江发动进攻。
“九一八”事变爆发后，日本军方首脑于９月１９日７时召开会议，一致赞同关东军的行动，即由陆军大臣和参谋总长分别致电关东军，电文说：“９月１８日夜以后，关东军司令官之决心和处置深合时宜，深信此乃提高帝国军队威信之举……”２０日上午，参谋总长、陆军大臣、教育总监开会，会上军部希望一并解决满蒙问题，海军也积极支持关东军。本庄繁遂于２１日晨决定进攻吉林。吉林省主席兼东北边防军副司令长官张作相因乃父殁回锦州治丧，一切军务由参谋长、省府委员熙洽代理。熙洽毕业于日本士官学校，侵占长春的日军第２师团司令多门二郎和熙洽是师生关系，熙洽与日关东军暗中早有联系，他于９月２０日派人持函到长春见多门，表示甘心卖国投降。
吉林市驻有东北军第２５旅张作舟部２个团，副司令长官公署卫队团团长冯占海所辖步兵３个营、骑兵１个营、炮兵１个营，以及迫击炮、重机枪、通信等各１个连。熙洽借口遵守蒋介石不抵抗的指示，在省政府召开军政紧急会议，不顾冯占海等人的强烈反对，命令驻省城吉林市的各部队及吉长铁路警备队分别撤出吉林市，集中在团山、龙潭一带，市内仅留少数部队与警察。
９月２１日在熙洽迎接下，多门二郎率领日军不费一枪一弹即占领了吉林。当晚，驻朝鲜日军混成第３９旅团到达沈阳，接替了防务，第１５旅团向长春集中。驻平壤的飞行第６联队的２个中队此时亦已到达沈阳东塔机场。９月２３日又侵占了蛟河和敦化。在此之前，吉林东部的延吉、珲春、汪清、和龙等县已被日军占领。２４日，日军又向辽宁和吉林西北进犯，先占通辽，继而又占新民，２５日进占洮南。这样，在不到１周的时间内，日本侵略军就占领了辽宁、吉林两省的３０座城市，并不同程度地控制了北宁、沈海、四洮、吉长、吉敦、吉海等铁路线，完成了其军事进攻的第一阶段。
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