在不抵抗主義的約束下，第7旅官兵隻有聽任數量占絕對少數的日軍進攻北大營。18日23時30分，日軍守備隊第2營攻入北大營西北角。同時，沈陽車站日本兵營內的240毫米重炮，也對準北大營轟擊。至次日拂曉5時30分，日軍完全占領了北大營。
與此同時，駐沈陽的日軍兵分三路進攻沈陽。5個多小時後，日軍便完全占領了這座東北重鎮。9時，事先印好而由“關東軍司令官本莊繁”署名、反誣中國軍隊爆炸南滿鐵路的布告赫然貼遍全城。一夜之間，日軍便輕而易舉地占領了沈陽城，所有軍警均被繳械，各種財物被洗劫一空。
在南滿鐵路沿線，日軍控製交通線的行動進展也十分迅速。日本獨立守備隊第3、第4營於19日淩晨5時30分攻陷安東，然後第3營攻占營口，第4營攻占鳳凰城。19日零時15分，駐長春日軍第3旅炮擊南嶺中國炮兵團。3時55分，日軍向南滿鐵路和中東鐵路的終點長春發動總攻。中國守軍奮起抵抗，後在吉林軍署參謀長熙洽“毋須抵抗”的命令下含憤撤退。當日22時許，長春陷落。這樣，南滿、安奉兩鐵路沿線的重要城鎮悉落日軍之手。
柳條湖事件發生後，日本軍部立即於19日7時召開會議，與會者一致認為，關東軍的決心和行動“完全得當”，應關東軍“增派3個師”的請求，著手派兵增援。
當日晚些時候，日本首相若禮次郎召開內閣緊急會議，討論關東軍的報告。由於若、石原出於侵華策略的需要和對列強以《九國公約》、《非戰公約》為依據進行幹預的擔心，內閣會談乃決定采取“不擴大事態”的方針，並責成陸相通知關東軍。會後陸軍省、參謀部分別含糊地訓令關東軍，在傳達內閣“不擴大”方針的同時，讚揚關東軍的“決心和措施是適當的”，“提高了日軍的威望”。深知軍部意圖的橋本欣五郎進一步密電阪垣：“參謀部停止軍事行動的命令，是應付內閣會議的表麵文章，其本意並非要你們停止行動。”
關東軍對軍部和內閣的意圖心領神會，在繼續調兵遣將的同時，向陸軍中央請求增派3個師的兵力。20日上午8時，海軍軍令部和海軍省決定，當事態進一步擴大時，海軍將出動艦艇到山海關配合陸軍阻止東北軍入關增援。21日，駐紮朝鮮的日軍司令官林銑十郎命令混成第39旅4000多人侵入中國東北沈陽。這為關東軍擴大侵略提供了保證。21日上午，本莊繁作出攻占吉林市的決定，占領長春的日軍第2師奉命乘裝甲車於當日下午進占吉林，隨後又相繼占領了通遼、巨流河、洮南等地。
在日本國內，日本政府一次又一次地追認了陸軍擴大戰爭的行動。9月22日，內閣會議決定承認駐朝鮮日軍越境的既成事實，並通過支付出兵經費。日皇裕仁發布裁可駐朝日軍越境進入滿洲的敕令。兩天後，日本政府發表《關於滿洲事變》的聲明，宣稱日本政府已決定“不擴大事態，並逐漸撤兵”，以繼續欺騙世界輿論，為陸軍擴大在中國的侵略戰爭障目。
日軍占領東北遼寧、吉林大部分地區後，以此兩省為基地，向北、南擴大侵略。
黑龍江省及哈爾濱東三省特別行政區等北部滿洲地區是日軍首先進攻目標。鑒於該地區與蘇聯接壤，哈爾濱又是一個國際化的城市，為避免蘇聯介入，日軍曾製定《關於征服北滿的方略》，設想以謀略手段奪取北滿，因而暫時中止了像攻占遼、吉那樣的直接軍事進攻，轉而首先采取“和平手段”。9月24日，參謀總長金穀範三下令“不得向寬城子以北進軍”，明確禁止出兵哈爾濱。日軍遂變換策略，采取利用漢奸軍隊打頭陣的手法，避開哈爾濱，沿洮昂鐵路向黑龍江省會齊齊哈爾出擊，企圖不戰而取得黑龍江省。