9月20日，日本陆军省和参谋本部取得一致意见：军部希望在此时一举解决“满蒙”问题。如果政府不同意军部方案，即使政府倒台也毫不在意。9月30日，日本军方制定了关于“满洲”事变解决的方针，强调必须避免与张学良、南京政府或广东政府进行交涉。对此，重光葵回忆说，日本军部对于“满洲”问题，最初不以中国的中央政府为对手，坚持采取与“满洲”的地方政权协商解决的态度。随着事态的进展，与地方政权谈判已经不能解决问题，只能有待于中央的解决。但是，军部坚持不与中国中央政府谈判，而着手于亲自统治“满洲”。与此同时，关于他们在“满洲”的行动，军部断然采取了不许第三国干涉的方针。
看来，日本军部已经完全倒向关东军。无论内阁的态度如何，都决心借“九一八”事变企图“一举解决‘满蒙’问题”。
（三）蒋介石迷信国联
“九一八”事变发生后，顾维钧向张学良提出两条建议：一是诉诸国联，二是派人去与日本政界大员交涉。他还说：诉诸国联只是为了引起世界和公众舆论的注意，间接给日本施加某种压力，使其不再扩大在“满洲”的侵略行动，而直接谈判才是解决国际争端的正常手段。但是，张学良认为，同日本人进行交涉是没有用的，于是采纳了第一条建议，并将他的想法电告了南京国民政府。南京政府接到张学良的报告后，立即电令中国驻国联代表施肇基，让他把事变提交给国联理事会讨论，并且表示：中国政府一定服从国际联合会关于此事所作出的任何决定。
在诉诸国联的同时，南京外交部向日本提出抗议，要求日军停止战斗、恢复原状。9月20日，国民党中央常委会作出决议：“对日武力可退让，交涉决不放松。”于是，南京政府同日本开始进行交涉。还在“九一八”事变前夕，重光葵曾与宋子文约定于9月20日前往大连，与满铁总裁内田康哉举行会谈，并且预订了到大连的船票。重光葵后来回忆说，当他得知事变发生后，于9月19日清晨拜访了南京政府财政部长宋子文。经过商讨，两人同意按照以前的计划行事，立即去“满洲”寻求解决办法。9月19日，在日内瓦召开的第十二次国际联盟大会召开第六十五次理事会，听取中日两国代表就“九一八”事变所作的报告。中国出席国联理事会代理施肇基报告了日军发动“九一八”事变和中国未作任何抵抗的事实，请求国联主持公道。日本代表芳泽谦吉在会上把发动事变的责任推给中国军队，采取了“不容国联置喙，断然排除第三者干涉”的强硬立场。
9月21日，重光葵在征得币原的同意后准备拜会宋子文，宋子文告诉他：不需要插手了，中国已于20日向国际联盟直接提出申诉，这件事对日方来说已经失误了时机。随后，南京政府外交部长王正廷在中央政治会议上报告说：日本特使重光葵在上海曾询问过宋部长，可否由中日两国自己来解决此事？宋部长说可以考虑一下，到了20日那天，重光葵又非正式地会见了宋部长，宋部长说现在日军已如此进逼，已无讨论的余地。21日，宋部长又告诉重光葵，这件事中国绝对不会同日本自行直接谈判。
3天之内，南京政府从由中日直接交涉，到不愿交涉，再到绝对不交涉，以至将事变提交给国联，促成这种转变的关键人物是蒋介石。如前所述，9月21日，蒋介石在陵园召开党政首脑会议，作出了4项决定，其中有两项是：把事件提交给国际联盟与非战公约诸国；不能再与日本直接交涉。当天，中国向国联提交了正式的书面申诉，并向日本表示不直接交涉。
也就在这一天，日本内阁召开会议，确定了“恐将引起国际责问，致蹈德覆辙，故决为外交保障占领”的方针，这一方针是重光葵在5个月前提出来的。那时，他认为，如果万一日华发生冲突，则必将作为国际问题被提到国际联盟，即不能仅仅作为日华间的问题来解决，于是就提出了这条方针。6月，日本陆军省在《解决满洲问题方策大纲》中又提出，万一出现日军有必要采取军事行动的事态，要使各国都能谅解日本的决心，不至于对我们采取无理反对或压迫的行动。按照这一方针，日本外务省一方面力求避免“僵局”的出现，另一方面是在“僵局”出现的情况下，要让世界各国能够“理解日本的立场”，“谅解日本的决心”。
那么，如何让世界各国理解日本的立场呢？对此，日本外务省的原则是，首先应尽量不使僵局扩大，如果扩大了须要设法加以“合理”的解释；其次要争取与中国进行直接交涉，迫使中方让步。所以，外相币原主张同中国中央政府交涉，认为“‘满蒙’问题之解决，当以与中国中央政府之交涉为原则”。9月22日，在国联理事会会议上，日本代表芳泽谦吉提出可以由中日两国直接交涉。中国代表施肇基表示：“必须先恢复原状，再直接交涉。”
9月23日，蒋介石在接见张学良的代表万福麟时特别强调：“外交形势，尚有公理，东省版图，必须完整，切勿单独交涉，而妄签丧土辱国之约。且倭人狡横，速了非易，不如委诸国联仲裁，尚或有根本收回之望。”然而，国联的举动打破了蒋介石的迷信。9月30日，国联通过一项正式决议，不仅没有谴责日本的侵略行为，反而颠倒黑白地要求中日双方停止一切冲突、努力不扩大事件、立即撤退双方军队。这个决议竟然要中国从自己的领土上撤退军队，这简直就是对中国的侮辱，实际上是公开袒护日本对中国东北的侵占。国联秘书长埃里克·德拉蒙德竟然在同日方代表谈话时称赞关东军的“勇敢精神”，却对中方代表提出警告，说国联理事会行动的有效性取决于中国政府能否抑制抗日运动和保持安宁。这个决议表明，国联不分侵略与被侵略，正义与非正义，根本不会主持公道，只是替日本的侵略行为开脱而已。
尽管国联在中国东北问题上没有主持公道，但是，南京政府对这个决议还是表示了欢迎，并以日本应遵从国联建议撤军，作为同日本交涉的条件。就在国联通过决议的当天，国民党中央政治会议特种外交委员会宣告成立，以戴季陶、宋子文为正副委员长。第二天，外交委员会专门讨论了不交涉的问题，议决并电告施肇基：“在日本未撤兵以前中国不能与日本作任何交涉，即在日本完全撤兵后，中国对于日本之侵略与压迫，亦惟有信任国联。”
蒋介石虽然预料日本不会撤兵，但仍旧幻想日本在国联的压力下撤兵。他设想，如果日本政府能“转令前方军队，与我所派接收长官接洽”，以“辟一交涉之途径”。如果日方于接洽撤兵之际，或对南京政府有希望交涉的表示，他即“可迎机与之谈判，否则我愈着急，彼愈骄横，不仅无补危机，且恐益陷绝境。”
由于国联无意制裁日本，因而助长了日军的嚣张气焰。10月上旬，日军开始采取扩大侵略的第二个作战步骤，即轰炸锦州。位于京奉铁路上的锦州，是东北通向华北的门户，又是东北边防公署和辽宁省政府所在地。10月8日，日军出动12架飞机轰炸了锦州的东北军军政大楼、第二十八师兵营、火车站等地，并袭击了大虎山、沟帮子车站。
关东军的这一举动进一步扩大了事态，于是，英美发出“抗议性警告”，国际舆论也“以激烈的口气谴责了日本”。日本外交形势严峻，若首相感觉到日军轰炸锦州，“使国联空气恶化，对日本非常不利”。奉行以外交保障占领方针的日本外务省，决定在同中国直接交涉上大做文章，以挽救不利地位。具体措施为：第一，重光葵向中国提出抗议书，表示日军的行动是对“中国多年之排日思想变成对日本军队之挑拨态度”所采取的“自卫”措置；第二，币原答复中国要求日本撤兵的照会，提出先确立谈判大纲直接交涉然后再撤兵的对策。他认为，眼下应“急务在缓和国民的感情，以是两国间应速协定可为确立通常关系之基础大纲数点。此项大纲协定后，国民感情见缓和时，日军始能全行撤退于满铁附近属地内”。为此，“日本政府随时可与负责任之中国代表会商前项之根本的大纲”；第三，由芳泽向国联提出中日直接交涉大纲，“俟大纲协定，始撤兵”。
日方的外交措施，意在向国际社会表明“日本并非决心侵略，而只是力图保护在满洲的权益”。对于日本的奸诈，顾维钧也感到了一定的压力。他说：“彼外交、军事双方并进，着着逼我，以图解决。我方若不速定全盘方针，拟就具体办法从容应付，转瞬之间失却国际同情，而形势转趋严重，单独应付更感不易。进退维谷，危险更不堪设想。”为了确定南京政府的交涉方针，戴季陶拜会了胡汉民。胡汉民发表了自己的看法，并提出“正式同日本办交涉”的建议。与此同时，蒋介石专门派主持过东北党务工作的齐世英赴上海拜访重光葵，然后又秘密赶往日本拜会日本政要，探听日政府的外交动向。这实际上开始了同日本的正式交涉。齐世英抵达东京后，拜访了犬养毅、头山满、床次竹二郎等日本元老，然后拜访了币原外相。币原向齐世英表示了中日直接交涉的意图，他说：国联不了解中日关系，只好派人调查，这一调查至少须要两年时间，这两年之内不知道会发生多少事情？弄到什么地步？所以，还是中日两国自己处理，尽速解决。齐世英将币原的意思告知了中国驻日公使蒋作宾。蒋作宾同意直接同日本交涉，并让齐世英转告蒋介石不要向国联提出控诉。可是，蒋介石听了齐世英的报告后，没有采纳直接交涉的建议，表示他还要继续观察此事，并同戴季陶谈谈之后再定。
日本轰炸锦州后，10月13日，按照中国的要求，国联理事会提前一天召开会议，讨论日本侵略中国东北的问题。国联几个成员国试图劝说美国参加讨论，但美国不打算阻挠日本的侵略行为，所以美国驻日内瓦领事吉尔伯特遵照国务卿史汀生的电令，退出讨论席，以观察员的身份出席会议。会上，日本代表提出了直接交涉的协定大纲，要求先交涉再撤兵。国联虽然一方面对日军扩大事态强烈不满，不顾日本的反对，决定邀请美国代表列席。但是，另一方面又有意调和中日主张，促使中日直接交涉，希望中国接受“撤兵与直接交涉同时举行”。10月15日，国联主席白里安召见施肇基谈话，探询中国对撤兵与交涉同时举行的态度。经过一番讨论，国联理事会建议，日本于11月16日前从所占土地上撤走军队。然而，由于英、美、法等国对日本的行为采取了纵容的态度，结果国联的建议没有发挥作用。
与此同时，英国驻华公使蓝普森拜见蒋介石、罗文干和顾维钧，认为中日两国直接交涉终难避免。他还提出，如果能由第三者加入旁听如同华府解决山东问题那样，实属上策。如果国联失败，尚有其他途径可寻，各国决不轻易放手。在恢复原状之后方允谈判，事属难能，只要使日军退入属地内，似可开议。
南京外交特别委员会经过反复讨论，多数人仍然主张以先撤兵为最低限度的条件，并电告施肇基坚持这一点。10月17日，外交委员会决议在日本撤兵之前不进行交涉，他们仍然对国联寄托了希望，认为“中日将来交涉必须在国联照拂之下”，“在国联公约所定原则之下进行”。由于中方的再三坚持，日本又不愿提出交涉的具体内容，这使得国联转向支持先撤兵再交涉。10月24日，国联理事会以13票赞成、日本1票反对通过第二项有关“九一八”事变的决议，限定日本在下次开会日期之前（11月6日），将军队撤退至铁路区域以内，撤兵完成后，中、日两国政府开始直接交涉两国间之悬案。