日军冲进了营房，见人就杀。旅长王以哲不在军中，第七旅早已成了“群龙无首”。事变发生时，东北军参谋长荣臻和辽宁省主席臧式毅正好在沈阳，可是，他们对日军的突然袭击毫无戒备。当听到爆炸声和枪声时，臧式毅竟然天真地给日本驻沈阳总领事馆打电话，请日本领事出面交涉。日本领事在电话里对臧式毅说：“军人行动，领事无权限制。”此时，外面的枪声越响越烈。驻北大营的第七旅值班军官向参谋部打电话询问应该采取什么措施。刚听了日本总领事的回话，荣臻害怕将事态闹大，不敢轻举妄动，就命令北大营的东北军“：不抵抗。即使勒令缴械，占入营房，均可听其自便。”而荣臻本人对当时的情景作了这样的叙述：9月18日深夜，得知日军袭击北大营，当即向北平张副司令以电话报告，并请应付办法。当经奉示，尊重国联和平宗旨，避免冲突，故转告第七旅王以哲旅长，令不抵抗。彼时，又接报告，知工业区迫击炮厂、火药厂，均被日军袭击。当时朱光沐、王以哲等，又以电话向张副司令报告，奉谕，仍不抵抗。
于是，不抵抗的命令一个接一个地传到北大营。正当官兵们在原地“待毙”时，又有人来传令了：“参谋长让我回来报告总队长，旅长从城里来电话，总部荣参谋长指示，日军进入营房，任何人不准开枪还击，谁惹起事端，谁负责任。”
“那咱们就这样眼看咱们的弟兄都被打死吗？”官兵们就是搞不明白，“为什么叫小鬼子这样欺负咱们？”“咱们就这样白白等死吗？”
打又不准打，走又不让走，可怜那些“原地待命”的人，被日军用刺刀活活地挑死在床上，成了名副其实的“原地待毙”。
在官兵们强烈要求还击的情况下，旅参谋长赵镇藩打电话给荣臻，劝说他收回成命，但荣臻执意坚持“不准抵抗，不准动，把枪放到库房里，大家挺着死，为国牺牲”。可是，官兵们都拿着枪上了前线，如何收得了枪。可荣臻不管这些，只知道说“：这是命令，如不照办，出了问题，由你负责。”不过，荣臻总算说了一句：“必要时可以向东移动移动。”
9月19日零时30分，第七旅及所属各团在六一九团的掩护下，开始向东山嘴子东大营撤退。3个小时后，日军驻抚顺的独立守备队一部也赶到北大营。凌晨5时30分，日军占领北大营。在进攻北大营的战斗中，日军投入的兵力总共才500人，仅死2人，伤22人，而东北军伤亡340多人。
（十）攻占沈阳
当时，东北军的总人数有30万左右。除参加中原大战随张学良进关的11万余人外，留守东北的尚有20余万人，另有公安、警察部队。关东军只有第二师团，下辖2个旅团，共4个步兵联队和山炮、野炮各一个联队，加上6个独立守备队，也不过1万余人。兵力相差如此悬殊，但东北军就是不敢打。
9月18日11时30分，日军步兵第二十九联队按照板垣的“立即攻击奉天城”的命令，分3路向沈阳城发起进攻。第一、二路日军进攻南场和北市场，第三路日军进攻沈阳城。19日凌晨，关东军司令本庄繁以“奉天北部张学良的部队在北大营附近柳条沟炸毁了满铁线路，为了进行修理和警戒”为借口，命令第二师团迅速集中，进攻沈阳，独立守备队各部进攻安东、营口、长春。命令下达后，本庄繁率关东军司令部自旅顺向沈阳开拔。于是，关东军迅速大规模地集结部队。几乎在柳条湖发生爆炸的同时，日军就成立了关东军和满铁联合司令部，组织大规模军运。驻辽阳的日军第二师团司令部、步兵第十五旅团司令部、步兵第十六联队，驻旅顺的日军步兵第三十联队，驻威海的日军野炮第二联队，驻铁岭的工兵第二大队、独立守备第五大队及其司令部，在接到关东军司令部的命令后迅速向沈阳集结。9月18日晚10时至19日下午6时，就有13趟军车从抚顺、辽阳、铁岭、本溪、鞍山、海城、四平、旅顺、公主岭等地发往沈阳，支援攻击沈阳的日军。
凌晨2时15分，日军开始登城。凌晨4时，日军从西南攻入城内。当时，沈阳城内约有1.5万名警察，由于事先接到了上级“不准抵抗”的命令，因而战斗意志松懈，思想麻痹，毫无戒备。在日军的突然包围下，8000多名警察举手缴械。所有官厅衙署先后被日军占领，紧要物品也悉数被掠夺。各机关之首领员司，除微服逃避外，悉数被日本人软禁。
经过5个多小时的战斗，凌晨6时30分，日军以死亡7人、负伤20余人的极小代价占领了沈阳城。留守的沈阳公安总队在警务处长黄显声的带领下同日军展开了巷战。凌晨4时，驻扎在长春、宽城子等地的日军也向中国军队发动了进攻。当时，在沈阳的东北地方军政大员仅有东北军参谋长荣臻和辽宁省主席臧式毅两人。与关东军的蓄谋已久相比，荣、臧二人对日军的突然行动毫无准备。荣臻还在幻想通过外交手段解决东北问题，臧式毅通过电话向日本驻沈阳总领事进行交涉。日本驻沈阳总领事馆领事森岛对荣臻说，军队已经出动，难以制止，但日本军不进沈阳城。荣臻和臧式毅天真地相信了日本领事的话。
被日军占领后的沈阳，一片狼藉，大街小巷，日军遍布，充满了恐惧感。日军在大街小巷张贴署名“关东军司令官本庄繁”的布告，诬陷中国军队炸毁日本南满铁路，“袭击日本守备队”，宣称日军“欲膺惩者东北军权而已”。日军的飞机在空中盘旋、扫射，装甲车在市街上横冲直撞。日军还把炮台置于沈阳城鼓楼的旧址上，并且封锁了各交通道口，持械盘查行人，对稍有不满或有反抗行为的人任意枪杀，致使许多无辜百姓惨遭杀戮，街头上混乱不堪。一些穷凶极恶的日本兵，专门搜捕我方文职、军职官员，对抓捕到的军官迫令其签字承认是中国军队破坏铁路，先发起攻击，并把他们反绑双手，看押在街头。日军在城内还大肆洗劫，烧杀抢掠，无恶不作，不管是机关衙署、学校银行，还是官私宅邸均在劫难逃。中国银行的4000万两白银被掠劫，汤玉麟公馆被日军掠夺之财物及军用物品约载10余汽车。各机关文书、档案被焚毁，邮政总局被烧……城内硝烟弥漫，街头尸体横陈。沈阳全城工厂停工、商店关门、市民闭户、路少行人，一派悲凉惨状。
日军占领沈阳后，第二师团司令部从辽阳迁往沈阳，第十五旅团司令部和独立守备队司令部也从公主岭迁到沈阳。9月19日中午11时50分，由旅顺开出的编号为909次的军用列车驶进沈阳车站。至此，关东军司令部也搬到了沈阳，设在满铁属地东拓大楼里。日军大规模入侵中国东北的战车由此启动。
9月19日上午10时，日军多门师团与独立守备队采取联合行动，向东大营发起了猛烈攻击。东大营，位于沈阳城东约10公里的东山嘴子，是东北军第二大营区，东北讲武堂的所在地，驻扎着讲武堂学员和第七旅的1个营。9月18日夜，当日军炮击北大营时，东大营也遭到炮击。但是，由于省城所有的电线都被截断了，东大营和北大营及东北边防军司令长官公署失去联系。正当他们不知所措、急忙商议对策时，只见北大营火光冲天，北大营被日军占领。此时，东大营孤掌难鸣，难以对付强大的日军。19日上午，当日军从南北向东大营围攻时，驻军及讲武堂学员不得不全部撤退。官兵们不忍离去，兵士们抱头痛哭，“悲号之声，闻名遐迩”。中午12时，日军占领了东大营，随后，便是大肆搜索，所有军械子弹钱款以及一应紧要品物，悉数被搜掠净尽。接着，日军又占领了沈阳兵工厂和东塔飞机场。沈阳兵工厂也称东3省兵工厂，位于大东边门外东塔以西，1921年建成，1924年进行扩建。工人最多时达2.5万人。厂内聘有日、德、奥、俄、瑞典等国的技师，能够生产各种炸药、各种口径的步枪、轻重机枪、大炮，各种型号的地雷，以及各种枪弹、炮弹。
是东北军军火的主要生产基地，也是全国最大的兵工厂和制炮厂。日军枪杀了守卫厂10余名士兵后，强行占领兵工厂，在大门上张贴“日本军占领”、“除日军外，出入者格杀勿论”的标签。
位于沈阳东门外的东塔飞机场，拥有从意、法、德、英、美、日等国购进的各种类型的轰炸机、战斗机、侦察机、教练机、民航机等262架。
这些都是东北空军1921年始建后，张学良任航空处长和航空军司令时陆续购买的，使东北空军有了一定的规模和战斗力。可是，当“九一八”事变时，机场接到上级的命令：“今天不准飞机起飞，以免出事。”空军参谋长陈海华一时没了主意，只得束手无策。在“不准抵抗”命令下，19日上午10时20分，日军占领机场，在飞机上涂上膏药状的标志，还在东北航空军司令部的门牌上张贴“日军占领”字样。东北军苦苦经营10多年的空军就这样毁灭了。日军的侵略行为给沈阳造成了巨大损失，据不完全统计，仅官方财产损失，就达到18亿元以上。军械弹药物资的损失更为严重，损失飞机262架、迫击炮和各种口径大炮2900余门、战车26辆、各式机关枪2500余挺、步枪95000支，以及大量的枪炮弹药、被服、粮等不计其数。
堂堂的东北军总参谋长荣臻，竟男扮女装，乘混乱之际溜出沈阳，逃之夭夭。同一天，日军还占领了安东、营口、凤凰等地。从那时起，就在东北的城乡，流传着这样一首歌谣：高粱叶子青又青，9月18来了鬼子兵。先占火药库，后占北大营，中国军队几十万，恭恭敬敬让出奉天（沈阳）城。
（十一）占领长春
9月19日凌晨4时，驻长春的关东军第三旅团司令官长谷向所属各部下达攻击令。日军第四联队开始袭击长春宽城子东北军兵营。
当时，中日双方在长春的兵力分布情况为：东北军总兵力5900人，大炮50门，具体分布为：
南岭步兵2350人，迫击炮6门，炮兵2000人，野炮36门；宽城子步兵650人；城内步兵320人，山炮4门，迫击炮4门关东军步兵：第3旅团司令部、步兵第四联队第一、第二大队，机关枪队、步兵炮队、步兵山炮队；公主岭：独立守备队司令部、独立守备步兵第一大队、步兵中队、机关枪队、步兵炮队、骑兵第二联队。
中东铁路横穿长春，因此，关东军对长春采取军事行动时，也考虑过苏联是否会介入。9月20日，建川美次会见关东军司令官参谋课长，明确表示：鉴于中东铁路的性质和目前的一般形势，应“不向长春以北派兵”。当日军占领宽城子车站时，苏联驻哈尔滨总领事代理奥尔洛夫果然向日本总领事馆提出了口头抗议。莫斯科还电告中东铁路局，如果日军侵入北满行使中东路权利，将采取必要的手段。实际上，苏联也只不过是出于宣传需要而已，并未打算采取军事行动。
中东铁路中国护路军第二营在营长傅冠军的率领下进行抵抗，打死了日军的一名小队长。战斗至上午10时，日军用迫击炮和山炮轰击，于上午11时占领了宽城子。下午，长春陷落。
日军进攻南岭时，遇到了中国军队的顽强抵抗。战至下午4时，日军以伤亡100多人的代价才攻占了南岭。
这两场战斗，日军伤亡155人，其中3名将校级军官毙命，3名将校级军官负伤，因而被日军称作是在“满蒙事变”首次进攻战中最激烈的战斗。
19日夜，日军第二师团第三十联队、野炮第二联队第二大队奉命增援长春。第二天，日军第二师团第十五旅团赶往长春。21日，日军下令进军吉林。当时，吉林省政府主席张作相还在锦州奔丧，其职务由边防军参谋长熙洽代理。熙洽是日本士官学校的学生，与关东军第二师团司令官多门有师生关系。20日，熙洽遂以“奉谕：避免冲突，中日事件由外交解决”为由，命令驻扎吉林的中国军队撤到城外，听候处理。下午8时，关东军第2师团不费一枪一弹占领了省城吉林市。
在随后的几天里，关东军相继攻克了敦化、通辽、新民和洮南。至此，日军已经占领了辽宁、吉林两省省会及大部分地区。
关东军发动“九一八”事变时只有区区一个师团，日军还在担心，万一张学良的东北军实施全面反击，这一个师团的兵力就不够用了。为了增援关东军，9月22日，驻扎在朝鲜的日军第二十师团越过边境线，增援沈阳的关东军。