柳條湖爆破後約1小時，即9月18日夜11時18分，參與陰謀的花谷正以奉天特務機關長土肥原賢二的名義，給旅順的關東軍參謀長三宅光治和東京的陸軍大臣南次郎發出了第一封電報:「18日晚10時半許，暴戾的中國軍在奉天北面的北大營以西，破壞滿鐵線，襲擊我守備兵，與我前來之一部守備隊發生衝突。據報告，奉天獨立守備第二大隊正向現場出動。」半小時後，他再次發報撒謊，說中國軍隊不斷增加機槍和野炮，日軍兵少，陷於苦戰。旅順，是關東軍司令部所在地。接到事發報告之後，關東軍司令部立刻舉行緊急軍事會議，與會參謀大多參與了事變的密謀。他們一致表示，關東軍必須立刻開始對中國軍隊進行打擊，著手占領東北所有的軍政中心。本庄繁司令官很樂意地接受了建議，並追認了坂亘先前以他名義發出的作戰命令，下令關東軍全面投入作戰。在「滿鐵」的協助下，他當晚就將關東司令部移往深陽，就近指揮。
在北大營遭遇攻擊的同時，日軍第二師團第二十九聯隊開始向瀋陽城區進攻，第二師團襲擊瀋陽的督軍公署。他們遇到的抵抗很輕微。次日清晨6時30分，日軍占領瀋陽內城，控制了各政府機構、警察所和通訊設施。北寧路車站被占領，與關內的交通陷於中斷。數十萬瀋陽市民一覺醒來，悲傷的發現青天白日的國旗已經換成了刺眼的日本太陽旗。
與瀋陽遭受同樣不幸命運的還有南滿鐵路沿線的許多城市。
一夜之間，這些城市都成了日軍的囊中之物。占領進展的順利超出了關東軍的預料。一個主權國家一個晝夜間失地千里，這在中外歷史極為罕見。
如今，在東北最大的都市瀋陽，豎立著一塊紀念碑:「殘歷碑」。碑上的累累彈痕中刻著一個醒目的日期:「九一八」。近十幾年來，每逢這一天的夜晚，瀋陽的上空便響起連續而尖利的汽笛警報聲。它提醒如今和平的居民們，就是在1931年的這一天夜晚，當時還名為奉天的瀋陽遭遇日本軍隊的突然入侵。就是從那一個夜晚開始，東北、中國、東亞乃至世界億萬人的人生軌跡因此而改變。走上歧途的軍國主義日本把這個世界推進了流血、流亡和屠殺的深淵。