李烈鈞受命主持這次高等軍法會審，不會不明白蔣介石耍什麼把戲。因此，他對朱培德保持一種非常慎重的態度，處處表示自己對這個任務的認真負責。他對鹿鍾麟則不然，暗中一再露出沒有信心，並且偷偷問過鹿：“瑞伯，這件事您看我們究竟應該怎樣辦才好？”鹿曾答：“問而不審是上策，審而不判是中策，問、審、判全承擔下來是下策。我們應該力守上策，不得已適當地兼取中策，下策萬不可為。”李一邊點頭，一邊稱是。
在高等軍法會審開庭的前一日，即12月30日，李烈鈞為此特往謁蔣介石請示。蔣介石見到李烈鈞，先開口問李：“審判長對這個案子如何辦理？”李坦率提出他個人的意見，說道：“張學良在西安似叛逆行為，有謀害主帥意圖，但能悛改，親送委員長返京，願委員長寬大為懷，赦而釋之。”至此李又逼進一步，說道：“我國昔有兩士，一為齊桓公，置射鉤而使管仲相，二為寺人披請見，此二者是否可作本案參考？尚祈核示。”而蔣聽後態度很冷淡，未作任何表示。李見話不投機，不得要領，忙把話頭轉過來說：“國民政府既任烈鈞出任審判長，一切當依軍法辦理。”蔣這時才說：“君慎重辦理可也。”談到這裏，李便乘機辭出。
1936年12月31日，雖然是南京少有的一個非常寒冷的冬日，可是軍委會門外卻人來人往；一向冷清的院門外，突然增崗加哨，進出的汽車也明顯增多，這裏像要舉行什麼重要的會議，或者是有什麼特別顯要的人物到達，氣氛緊張。關於要審判張學良的事，國民黨當局作了嚴格的保密，即使在他們內部，也有很多人是不知道的，對外更是封鎖消息。但俗話說得好：若要人不知，除非己莫為。他們既然做了，怎能一手遮天呢，所以這事還是一傳十、十傳百地被群眾知道了。這天來的人不少，特別是那些希望一睹少帥風采的市民和學生，一大早就從四麵八方彙集過來，雖然全被擋在警戒線以外，不能靠近軍委會大門，可他們仍然耐心地等待著。張學良下了汽車，人群活躍，有一陣輕微的議論聲，人們雖然不能作出更熱情的舉動，但都向他投來崇敬的目光，他也麵帶笑容，向在場的群眾致意。
開庭前，李烈鈞命副官先布置一下法庭，然後偕同朱培德、鹿鍾麟兩審判官到法庭坐定。李烈鈞環顧法庭四麵布置周密，警戒森嚴。便命將張學良帶上。不一會兒，張學良麵帶笑容，趨立案前。李烈鈞因為張學良是陸軍上將，又是未遂犯，便讓他坐下，但張學良仍筆直地站著。李烈鈞招呼張學良走近一些，問道：“你知道犯什麼罪嗎？”
張學良回答：“我不知道。”
李烈鈞翻開陸軍刑法給他看，並對他說：“陸軍刑法的前幾條，都是你犯的罪。你怎樣膽敢出此？”
張學良態度從容，答話直率，毫無顧忌。李烈鈞心想：學良真是張作霖的兒子啊！遂問他：“我們準備了一份向你提問的問題，要你逐條回答。你願先看看這些問題嗎？”
張學良回答：“很好，請給我看看。”李烈鈞等他看完問題後，接著問他：“你脅迫統帥，是受人指使呢，還是你自己策劃的呢？”
張學良回答：“我自己的主意。一人做事一人當，我所做的事，我自當之。我豈是任何人所能指使的嗎？”
張學良侃侃而談，問李烈鈞：“我有一句話，請教審判長，可以嗎？”李烈鈞說：“當然可以。”
張學良問：“民國2年，審判長在江西起義討伐袁世凱，有這回事嗎？”
李烈鈞說：“是的。”
張學良問：“審判長在江西起義討伐袁世凱，為的是反對袁世凱的專製與稱帝，對嗎？”
李烈鈞說：“是的。”
張學良理直氣壯地說：“我在西安的行動，為的是諫止中央的獨斷專行……”
沒等張學良講完，李烈鈞便斥責他：“胡說！那袁世凱怎能與蔣委員長相提並論？你在西安搞事變，是自尋末路，怎能歸罪於誰？”審判官見李烈鈞越說越火，便勸他稍休息一下。朱培德和鹿鍾麟陪李烈鈞到休息室休息了片刻，又回到法庭，繼續審訊。李烈鈞勸告張學良：“你在西安做的事，應據實供出，否則對你不利。”鹿鍾麟也對張學良說“：審判長待人誠懇寬厚，漢卿幸勿失此良機。”李烈鈞接著問：“你是否受外黨的播弄？不然何從糊塗至此。望你抓緊時機，從速實告。不然求一生路亦不可能。機不可失，君其毋悔！”張學良據實陳述。李烈鈞將審判經過，分別呈報中央黨部與國民政府鑒核。