铁路爆炸与沈阳失守
九一八事变发生于1931年9月18日至19日的沈阳地区。日本关东军军官在柳条湖附近炸毁南满铁路一小段路轨，随后以中国军队破坏铁路为由发动攻击。日本国立国会图书馆的档案展明确将爆炸归于关东军军官，而非将日方当时的指控视为事实。
关东军已在铁路沿线驻有守备部队，并在事变前连续进行夜间演习。爆炸发生后，日军进攻中国军队驻扎的北大营，同时向沈阳城、兵工厂和机场等目标行动。19日，沈阳主要军事与行政设施落入日军控制。军事行动的范围与速度远超过处理一处铁路损坏所需的警戒。
不抵抗命令与现场证据
东北军指挥系统此前要求避免与日军冲突。国际联盟调查委员会记录了张学良9月6日要求克制的电令，以及王以哲部在北大营遭袭后仍接到不抵抗指示的证言。但报告同时记载，部分被截断退路的中国官兵进行了突围战斗；长春驻军也曾抵抗。指挥层的退让政策与各地具体战斗情形并不完全相同。
1931年9月25日，美国领事约翰·卡特·文森特应日方邀请察看现场。他的备忘录指出，日方展示证据的方式与不同讲述之间的差异，使其所谓自卫经过难以令人信服。1932年调查报告综合双方及第三方证言后认定：中国军队当时没有组织或获准发动进攻，铁路爆炸也未阻止南下列车准时抵达；日军当夜行动不属于正当自卫。这一判断并不以接受日方对爆炸责任的说法为前提。
从城市占领到统治重组
日军的行动迅速沿铁路扩展，9月21日占领吉林；驻朝鲜日军也越过鸭绿江增援。沈阳的变化不只是换了驻军。美国驻奉天总领事迈尔斯9月26日报告，原有中国官员出走，城市行政中断，日方成立由日本市长主持的市政机关，并组织中国警察和前官员参与维持地方秩序。占领军由此介入日常统治。
扩张延续到秋冬。日军10月8日轰炸锦州，11月在嫩江桥一带与马占山部交战，19日占领齐齐哈尔。锦州与哈尔滨分别到1932年1月、2月才被日军占领，因此东北主要城市的失守并非发生在同一个夜晚。正规军余部和义勇武装继续抵抗，占据交通枢纽也不意味着整个乡村立即受到稳定控制。
国际交涉与后续阶段
中国政府于1931年9月21日向国际联盟提出申诉。国联随后要求缓和冲突，并于12月决定派调查委员会。调查与交涉进行期间，日军仍持续扩大占领。日本内阁虽曾提出不扩大事态的方针，实际未能制止关东军；若槻礼次郎内阁的倒台也显示事变与日本国内政治危机相互交织。
1932年1月7日，美国国务卿史汀生指示向中日两国送交照会，声明不承认违反《非战公约》义务造成的局面，也不承认损害美国在华条约权利及相关中国主权、领土和行政完整的安排。这是不承认政策，并非军事救援或强制撤军措施。同年，关东军扶植的“满洲国”政权出现并获日本承认。九一八事变开启的军事占领，由此发展为日本控制下的傀儡政权统治。