根據理事會決議，中國派前外長顧維鈞，日本派駐土耳其大使吉田伊三郎參加調查團的活動。
李頓調查團組成後，理應直接奔赴被侵略的中國東北現場，立即開展工作。可足，他們卻首先曆訪英法美各國政府要員，領受意旨。2月3日從歐洲出發，繞道美國及太平洋，2月29日首先到達日本東京。調查團先後會見了日本天皇裕仁、首相犬養毅、外務大臣芳澤謙吉、陸軍大臣荒木貞夫、海軍大臣大角岑生等軍政要人。為了領會日本的外交意圖，調查團在東京的10天中，6次與日本外務大臣芳澤謙吉詳談。調查團於3月14日才到達中國上海，4月21日到達沈陽。
這時，日本侵略者已完全占領和控製了中國東北，製造了偽滿洲國，迫使李頓調查團承認既成事實。
調查團到中國東北後，主要是從侵略者方麵調查侵略的理由。在到沈陽後的11天中，調查團即有6天安排了6次對日本關東軍司令官本莊繁的訪問，足見是何等的重視。其次是與偽滿洲國傀儡溥儀和漢奸張景惠等進行詳談。日本為了使調查團難以了解真相，裕仁天皇指派了日本前駐蘇大使到關東軍作顧問，以幫助應付外交上的細節。又派參謀部情報部歐洲科長渡久雄上校為李頓調查團的前站人員，對所到之處都事先安排。關東軍將調查團任何時候要看的任何地方，都粉飾一新。“滿洲國”監獄裏的******和能講英語或法語的住院病人，都被送到鄉下的拘留營去。被拘留的還有憲兵隊從街頭搜捕來的襤褸的乞丐、無業遊民以及任何被認為在遊行時可能敢於站出來高呼反日口號的人。僅哈爾濱一地就拘捕1361人。1個月前，關東軍司令部就已起草了對日本統治“歌功頌德”的“請願書”，交給有名的中國人和俄國人，要他們簽署後送交李頓。還教群眾喊什麼口號，穿什麼衣服。調查團團員預定要會見的“滿洲國”官員，應說些什麼都經過仔細的演習。
據溥儀筆供：“一九三一年，當國際調查團李頓等來東北見我之先，板垣征四郎預告我對他們應當如何說話。等李頓來的時候，板垣還有許多日人隨行。我對李頓說滿洲是自主，日本是不幹涉的等等欺騙的話，為日本帝國主義當了欺騙的工具。”
另據臧式毅筆供：“一九三二年夏當國際調查團到奉天時，日本軍部則極端限製中國人與該團等單獨會見。該團內有中國委員顧維鈞者，入境後受日本軍方之嚴重限製，每到一處則不令出旅館，又不令與該團一同出門，尤不令與中國人會見。”
東三省的愛國將領，社會賢達，24個東北民眾團體和學術團體，戰鬥在東北的抗日義勇軍，以及上海、南京、北平、天津等地學生、市民等，紛紛走訪、投書、致電調查團，要求其主持正義。東北的商人、銀行家、教員、醫生、警察、職工等各界人士，克服種種困難，通過各種途徑，給調查團寄送書信文件1500餘件，揭露日本侵略者製造“九·一八”事變，侵占中國東北的種種罪行；指出“所謂滿洲國者，完全為日本人之傀儡，為達到分割中國，實行並吞之陰謀”，“故中國絕對不承認為日本所造成之滿洲偽國”。
李頓調查團在東北活動了一個半月，於6月5日回到北平。7月4日由北平去東京，與日本政府商討寫報告書之事宜，20日返回北平。9月4日，調查團完成了報告書，各委員簽字。
10月2日，《國聯調查團報告書》在日內瓦、南京、東京同時發表，中國外交部公布了調查團報告書節要。
10月13日，中國外交部公布了李頓調查團報告書全文。文長272頁，約14。4萬字，除緒言外，計分十章。
《李頓報告書》對於“九·一八”事變的發生和偽滿洲國的出現，作了具體陳述，承認了若幹基本事實，對日本的侵略行徑也作了一定的揭露。例如：
（1）承認東三省是中國領土的一部分。
報告書指出：“東三省為中國之一部，此為中國及列國共認之事實”；“張作霖上將迭次宣布之獨立，絕不含有渠個人或滿洲人民情願與中國分離之意義。……實則所有中國內戰大致均係一種建立真正強健政府，以圖統一全國之野心計劃。故滿洲雖迭經戰事及獨立時期，但仍為中國完整之一部。”
（2）指出“九·一八”事變是日方有計劃的軍事行動。
報告書稱：“日方幹事前確有充分計劃以應付中日間萬一發生之戰事。此計劃於9月18日至19日之夜見諸實行，迅速證確。中國方麵遵守上峰之訓令，既無進攻日軍之準備，在彼時或在該地亦無危害日人生命財產之計劃。……至9月18日下午10時至10時半在路軌上或路軌旁發生炸裂之事雖無疑義，惟鐵軌縱有破壞，實際上並未能阻止長春南下列車之準時到站，斷不能引為軍事行動之理由。故前節所述日軍在是夜所采之軍事行動，不能認為合法之自衛手段。”
（3）指出偽滿洲國是日本一手製造和控製的政權。
報告書寫道：“自1931年9月18日以後，在日本軍事當局之行動中，不論在軍事或民政方麵，政治意味，特為濃厚。”“調查團認為滿意者，即依各方所得一切證據，確信助成滿洲國成立之原動力，雖有若幹種，但其中兩種，即一為日本軍隊之在場，一為日本文武官吏之活動；兩者聯合，發生之效力最大；依我等之判斷，若無此兩者，新國家不能成立。”“基此理由，現在政體，不能認為由真正的及自然的獨立運動所產生。”“在‘滿洲國政府，中……國務總理及各部總長，雖均為華人，但在新國組織中實際上操有最大權力之各總務廳，其廳長，則均屬日人。”“所有政權均操之於日人之手。此所謂‘滿洲國政府’者在當地中國人心目中直是日人之工具而已。”
但《李頓報告書》的基本方麵是袒護日本侵略，同時又試圖與之分享瓜分利益，它露骨地表現出殖民主義者的偏見，作出了許多錯誤的結論，提出了一些荒謬的損害中國領土主權的建議。主要的有如下幾點：
（1）公然為日本帝國主義製造“九·一八”事變，發動侵華戰爭進行辯解。
報告書稱：“此次衝突事起，論者莫衷一是”；“日本屢稱滿洲為日本之生命線……日本對於滿洲之特別關懷，實因滿洲在軍事上為形勢要地故也。”讚頌日本侵略中周東北的所謂曆史功績，說：“若無日本之活動，滿洲不能吸引如許巨額之人民”；“因最近25年來滿洲日本事業之成功，而發生之自尊心理，皆構成日本‘特殊地位’要求之成分”；“日本人民常自詡滿洲之經濟發展，日人之力獨多。”指責中國抵製日貨運動“對於中日關係，在物質上，心理上，均有重要之影響”；“中國政府，對於日本所受之損害，負有責任。”報告書在肯定日方軍事行動“不能認為合法之自衛手段”後，緊接著又說：“本調查團之為此言，並不摒棄下列之假定，……即當時在場之軍官或者係認為自衛而出此也。”
這就從根本上混淆了侵略者與被侵略者的原則區別，實際上是為日本侵略開脫罪責。
（2）敵視中國共產黨領導的中國革命，鼓吹來自蘇聯的“共產主義威脅”，鼓動日本把中國東北建成反共的戰爭策源地。
報告書把中國工農紅軍粉碎國民黨的一次次“圍剿”，號召抗日，誣蔑為“共產軍隊在江西湖南各部擾亂”，“共黨戰事所造成之擾攘”，“共產問題之在中國，實與較大之國家建設問題，具有關聯”。報告書露骨地宣稱：“俄國勢力越出北滿之危險，竟成為日本關切之問題。在北有俄國之共產主義，在南有國民黨之反日宣傳，兩者聯合大有可能，日本於是益覺於兩者間置一與兩者無關之滿洲之為得策。日本之疑懼，益因最近數年來蘇俄政府在外蒙所得之優越勢力，以及共產主義之滋長於中國而隨以俱增。”接著以唆使的口吻說：“日本之欲謀阻止滿洲被利用為攻擊日本之根據地，以及如在某種情形之下滿洲邊境被外國軍隊衝過時，日本欲有采取適當軍事行動之能力，吾人均可承認”。