1931年9月18日，在日本关东军独立守备队第二大队突袭北大营的同时，驻扎在沈阳的日军第29联队也按照板垣征四郎的命令，于9月19日1时左右分三路分别从北市场、南市场、以及正面向沈阳发起了进攻。
当时沈阳城内的军警已经事先接到了不许抵抗的命令，所以面对日军进攻大多选择了逃避躲藏。当时在沈阳城内只有商埠第1分局和第2分局的警察进行了稍微抵抗，共有12名警察在交火中牺牲，工业区第六分局则有10多名警察牺牲，很快南北市场便被日军占领。
事前沈阳城内的警察也没有察觉日军的异动，枪声响起时还以为日军在进行军事演习。直到看到日军割电话线时，跑去制止时遭到枪杀才知道发生事变。但因日军占有绝对优势，以及毫无准备，大多数警察都被现场缴械。
从正面进攻沈阳的日军，于9月19日凌晨3时许攻占了大小西门，随后日军从小西门登上城墙，开始向城内射击，并于4时许进入城内。
进入沈阳城内的日军先后包围了警察署、宪兵司令部、电话局、无线电台，切断了所有的通信联络。
紧接着日军在装甲车的掩护下，从小西门大量涌入，并迫使沈阳城内各个警察局缴械，并很快占领了沈阳西城墙南北一线。
原本驻扎在辽阳的日军第二师团在多门二郎中将的率领下也很快抵达沈阳，并迅速做出部署：步兵第15旅团长天野六郎少将指挥步兵第16联队占领航空处及兵工厂；步兵第29联队继续攻占沈阳城；步兵第16联队第10中队作为师团预备队，与师团司令部一起驻守南满火车站附近。
在随后日军第29联队攻占沈阳城的过程中，因有事先安排的便衣内应配合，几乎没有遭到什么抵抗，于当天清晨占领了沈阳东城墙一线。
随后包括东北军司令长官公署、大帅府、辽宁省政府、东北宪兵司令部、东北海军司令部、东北政务委员会等一大批军政机关均遭日军占领。等天亮的时候，整个沈阳城已经大部分落入了日军之手。
在日军占领沈阳城以后，上午10时许，第二师团一部和独立守备队三个大队又向东大营发起进攻。东大营也和北大营一样，接到了不许抵抗的命令，最终中午12时30分，日军便完成了对整个沈阳的完全占领。
日军占领沈阳以后，疯狂的对中国军民实施了屠杀。
根据1931年9月26日刊登在《民国日报》上的一篇报道称“19日上午7时许，沈城陷落……俱是日军，复恃声威，到处侮辱市民，动辄枪杀……一般贫民惶惶不可终日，日人竟欲屠杀全城人民起往。唆使鲜氓，任意掳掠，俟鲜氓走尽后，再施扫射，可怜无数华民惨死于枪林弹雨之下，如此悲剧，数日内不知发生多少。”
九一八事变时，要求军警不许抵抗的东北军参谋长荣臻事后也在报刊上发表了谈话，称“我方军警，绝对未予抵抗，然惨死于弹下者，已为数不少矣……日军凶暴之极，对于行人，任意枪杀，见有军警服装者，尤特别仇视，几难幸免。”
因日军在沈阳城内肆意屠杀，当时沈阳工业区、北市场、小西边一带，伏尸遍野。日军更是以维持治安的借口，对行人随意枪杀，就连妇孺也未能幸免，甚至“见小儿常用刺刀挑起，沿道示众，惨不忍睹。”
进入沈阳城内的日军，随意进出中国普通人家，对年轻的妇女任意进行调戏，家中男人较少的，几乎都逃不掉日军色狼的魔爪。
当然沈阳被日军占领后，作为沈阳城最有钱的大帅府也不能幸免。日军于9月19日包围大帅府后，便进入府内将贵重财物洗劫一空。仅张作霖五姨太损失的珠宝、财物等当时便估值损失1.4亿，整个大帅府被洗劫而去的财物更是无法计数。