對於北大營戰鬥的悲壯場麵，指揮戰鬥的趙鎮潘參謀長回憶說：“我軍與敵人激戰到下半夜三點多鍾，傷亡頗多……敵人已從南麵突入營垣。我當即命令旅的衛隊連，反擊突入營垣之敵……接著旅部前後都發現敵人，展開了巷戰，我始下令突圍……在抗擊敵人進攻的戰鬥中，第7旅的大多數軍官和廣大士兵都是英勇的，他們奮不顧身地抗擊著裝備優良、人數眾多的日軍的進攻，他們還不知道國民黨政府已經給他們的長官下了可恥的不抵抗主義的命令，因此，他們一麵反擊敵人，一麵問：‘兄弟部隊為什麼不前來增援呢？’‘我們的飛機為什麼不起飛參戰呢？’及至撤出北大營，他們還很關心地問：‘我們幾時反攻回來呢？’這說明了廣大的東北軍的軍官和士兵是愛國的。”
就在進攻沈陽的同時，關東軍在南滿鐵路沿線也展開了全麵攻勢。19日，日軍攻占南滿、安奉兩鐵路沿線的重要城鎮營口、田莊台、蓋平、複縣、大石橋、海城、遼陽、鞍山、鐵嶺、開原、昌圖、四平街、公主嶺、安東、鳳凰城、本溪、撫順、溝邦子等地。19日淩晨4時，日軍向長春發動總攻，中國守軍奮起抵抗，後在吉林軍署參謀長熙洽“無須抵抗”的命令下含憤撤退。當日22時許，長春陷落。
21日上午，關東軍司令官本莊繁做出攻占吉林的決定，占領長春的日軍第2師奉命乘裝甲列車於當日下午抵達吉林。由於吉林省代理主席、軍署參謀長熙洽叛國降日，中國軍隊退出吉林，所以日軍第2師兵不血刃占領了吉林。
從9月18日至25日一周內，關東軍占領遼寧、吉林兩省的30座城市，並完全或部分控製了12條鐵路線，完成了“九一八”事變軍事進攻的第一階段任務。
蔣介石在“九一八”事變發生時，正和宋美齡在江西南昌部署對紅軍進行新的“圍剿”。當日深夜，當蔣氏夫婦做完祈禱、準備更衣入睡時，接到了日本發動沈陽事變的電報。當晚，蔣介石匆忙召集謀士研究對策。會後蔣介石仍然堅持不抵抗政策，還決定設立特種外交委員會，任命戴季陶為委員長，宋子文為副委員長，顧維鈞為秘書長，任命陳立夫、孔祥熙、丁惟汾、於右任、顏惠慶、李石曾、羅文幹等人為委員。為遮人耳目，蔣介石以國民政府主席兼行政院長的身份，指示外交部對日本提出“文明抗議”。
9月19日，中國政府向日本政府提出“嚴重抗議”。9月20、23日，中國政府又接連向日本政府發出第二、第三次抗議照會，譴責日本政府忽視中國抗議，使侵略事態日益擴大，嚴重破壞東亞和平，要求日本政府停止一切侵略行動。
但日本政府對中國的聲明不做正式答複，隻於9月24日發表《日本對於滿洲事變的第一次政府聲明》，以賊喊捉賊的伎倆，胡說“9月18日夜半，在奉天附近的一部分中國軍隊破壞了南滿鐵路的路軌，襲擊了日方守備隊，以致發生衝突”，竟稱日本“認為有必要先發製人，以鏟除危險的根源”。
蔣介石在抗議無望的情況下，又把一切希望寄托在國際聯盟上。那時候，國際聯盟正在日內瓦召開理事會會議，中國於9月14日當選為非常任理事國。
“九一八”事變的第二天，南京政府外交部通令中國駐外各使領館說：“仰向駐在國政府切實接洽並探詢其態度，迅速電複為要。”並指示中國代表施肇基將東北事件報告國聯，請其主持公道。9月21日，中國外交部指示出席國聯理事會的中國代表施肇基，根據國際聯盟盟約第十一條的規定向國聯提出照會。
蔣介石為對付國內日益高漲的抗日救亡運動，把向國聯的申訴吹得天花亂墜，說什麼“此為一外交之轉機……如天果不亡吾中國，則此次外交當不致失敗也。中國應忍痛含憤，暫取逆來順受態度，以待國際公理之判斷”。