9月5日，周亦雲指示林娥通過秘密電台，聯係已遷至中國山脈根據地的日本共產黨中央，請求日共方麵協助調查東北日本關東軍的近期動向。然而，當時日共中央的工作重心仍集中於日本本土，在東北地區的情報搜集能力較為有限，未能發現關東軍有明顯的軍事異動。與此同時，周亦雲也向少帥發送密電，提醒其警惕日軍可能采取的其他行動，強調需加強防備、不可鬆懈。
儘管日共方麵未能提供關鍵情報，周亦雲並未放棄對關東軍動向的密切關注。他一方麵命令戴立動用了己方在東北的地下情報網絡，向中央進行通報，黨中央在接到執行後亦雲的報告後，也是十分的重視，周亦雲試圖從多條線索中拚湊出日軍的真實意圖，看日軍還會不會向曆史一樣，發動軍事行動，另一方麵，則通過加密信道持續向少帥方麵傳遞預警信息，屢次強調關東軍近期頻繁的軍事演習與物資調動極不尋常，背後恐有更大圖謀。
9月10日，沈陽、長春等多地陸續傳來日軍增兵的消息，似乎印證了周亦雲的判斷。少帥方麵雖仍未公開表態，但已密令部分一線部隊進入戒備狀態。而此刻的日共中央，也開始嘗試調動其在朝鮮及中國東北邊境的有限情報資源，了解日軍的動向。
1931年9月18日晚22點20分，沈陽北大營以南約800米的柳條湖段南滿鐵路此時的天色已晚萬籟俱寂，沒有人知道在這一個普通的晚上會發生一件改變世界的大事，日本關東軍獨立守備隊第二大隊的河本末守中尉，趁著夜色率領了幾名日本士兵，在南滿鐵路柳條湖段埋設了42包小型炸藥，並且將他引爆。
在他們的身後是已經做好戰鬥準備的日軍獨立守備隊第二大隊，他們靜靜的潛伏在鐵路的右側，由於爆炸的用量經過日軍的精密計算，所以爆炸造成的損壞很小，很快就被早有準備的日軍修複。
但日軍早有準備的在現場放置了三具穿著華夏士兵服裝的無辜百姓屍體，賊喊捉賊0誣蔑是華夏軍隊破壞了鐵路，並以此作為“襲擊日軍的證據”。
在鐵路爆炸後，埋伏在附近的日軍獨立守備隊第二大隊立即以此為借口，向華夏東北軍駐地北大營發起了攻擊。
此時的，東北軍主力在少帥的帶領下在中原大戰時將主力調入了關內，在東北的兵力相對薄弱，但是相比於日軍的兵力，在武器裝備上仍然占據了上風，日軍的在進攻北大營的時候，作為東北軍精銳的第七旅在下轄3個步兵團第619、620、621團），另有騎兵、炮兵、輜重等多個直屬連隊，總兵力約7,000人，裝備在當時堪稱一流，配備有步槍、機槍、迫擊炮、平射炮，甚至擁有坦克和裝甲車。
在爆炸響起的時候，旅長王以哲不在營中，三位團長中也有兩位不在崗位。部隊缺乏統一的指揮核心，北大營的官兵在聽到爆炸聲和槍聲後，立即衝出營房奮起反擊。但是很快接到了少帥的不準抵抗，不準動，把槍放到庫房裡，挺著死，大家成仁，為國犧牲”的嚴令。
在無法還手、群情激憤且傷亡慘重的情況下，部分官兵如第620團團長王鐵漢）在忍無可忍後下令部隊邊打邊撤，但已無法扭轉戰局。最終，第七旅被迫於19日淩晨5時許撤出北大營，向東退往山城鎮。
日軍在幾乎沒有遇到有效抵抗的情況下，於9月19日淩晨攻占北大營，與此同時，關東軍主力開始向沈陽城發動總攻。留守城內的軍警同樣奉命不抵抗，至9月19日晨6時許，日軍完全占領了沈陽全城，日軍在城內掠奪了大量軍政、財政物資，包括飛機、大炮、槍支彈藥、銀行現金等。
1931年9月18日深夜，關東軍總部內氣氛熱烈。時任關東軍高級參謀的板垣征四郎、作戰主任參謀石原莞爾、參謀花穀正以及沈陽特務機關長土肥原賢二正聚集一堂，慶祝他們精心策劃的軍事行動。幾人舉杯相慶，對迅速占領中國東北地區充滿信心，認為此舉將奠定日本在東亞的霸權基礎。
就在事變爆發前三十分鐘，周亦雲通過日本共產黨中央獲得關鍵情報，立即致電東北軍高層，緊急提示日軍可能采取行動，提醒加強戒備。
然而，這封電報卻被值班人員擱置一旁，未能及時上呈。直至爆炸聲震徹沈陽北大營，事變已然爆發，少帥才終於看到周亦雲發來的警示電報。事後，周亦雲持續致電少帥，力勸其堅決抵抗、在少帥看來，日本人是在挑釁，他並不願意將兵力用於和日軍對抗。
而是寄希望與國際調停，此時的少帥已經錯誤的估計了形勢，他錯誤地認為此次事件與以往的日軍挑釁類似，希望通過“不抵抗”來不給日本擴大事態的借口，同時將問題提交給國際聯盟仲裁，指望西方列強出麵乾涉，讓日軍撤退，所以對於周亦雲的來電並不完全認同，但這些努力最終未能扭轉局勢，但是少帥也安排華北地區的部隊開始做好戰鬥準備。
與此同時，南京國民政府內部正陷入嚴重的政治危機，派係鬥爭達到白熱化。汪季新南下廣州，與陳、李等地方勢力聯合成立了廣州國民政府，形成與南京分庭抗禮之勢。彼時的汪季新已開始與日本方麵暗中往來，日方也意圖借廣州政府牽製司令主導的南京中央政府。在汪與日方的相互利用下，這一策略確實產生了效果，進一步削弱了中國在應對外侮時的統一立場和抵抗能力。
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