东北军放弃了北大营，也没有在沈阳城内进行抵抗。日军分三路向沈阳发起进攻。第一路首先攻入两个公安分局，然后将商埠的南市场全部占领。第二路进攻商埠北市场，将那里的警察缴械，并且占领了邮政局。第三路分别进攻大小西边门，首先包围警察署，接着包围宪兵总司令部、东北边防军司令长官公署和省政府等重要机关，将他们包围的东北军队、警察和宪兵统统缴械。
一夜之间，日军完全占领了沈阳城，本庄繁的关东军司令部搬进了沈阳。上百名无辜市民死在关东军的屠刀之下。关东军大肆劫掠中国的公私财产，连张学良的公馆也遭洗劫。素有“东方克虏伯”之称的沈阳兵工厂、迫击炮厂和火药厂等中国第一流的军工企业，落到了日本关东军的手里。两百多架飞机、三千多门火炮和十多万支枪，顷刻间成为日军的战利品。
辽宁凤城县人黄显声，当年三十七岁，是一名有心抗日的警官。他在北大营枪声响起时，就打电话报告远在北平的张学良，请示如何对付日军。张学良要他通知各警察机关：如果日军进城后索取枪支，可以无条件地交械。
张学良是在严格地执行蒋介石的命令。就在几天前，蒋介石曾邀张学良到停在石家庄站的专列里谈话。他说：“最近获得可靠情报，日军在东北马上要动手，我们的力量不足，不能打。我考虑只有提请国际联盟主持正义，和平解决。我这次和你会面，最主要的是要求你严令东北全军，凡遇到日军进攻，一律不准抵抗。”
不过，在“九一八”这天，张学良接到日军进攻的报告后，倒是没有怠慢，一夜之间，十几次发电报请示南京政府。蒋介石十几次复电，下令不许抵抗，要东北军把枪架起来，把仓库锁起来，一律点交日军。蒋介石一再重申：为了避免局势进一步恶化，必须坚持不抵抗原则。张学良和东北军的大多数部队，包括沈阳的警察，忠实地执行了这个命令。