日军攻占沈阳后，下一个战略目标就是长春。长春是南满铁路的终点，又是南满铁路和中东路的交接点，同时也是吉林市的门户和吉北、吉东的咽喉。占领了长春，就可东取吉林，北攻哈尔滨，西图洮南，进攻齐齐哈尔。所以在沈阳发动事变的同时攻占长春，是“九一八”事变策划者的既定方针。驻长春日军得到沈阳事变的消息后，即以“日本南满铁路被中国军队破坏数段，辽宁方面已开始军事行动，旁边自应采取一致行动，以谋自卫”为借口，开始行动。9月19日三时五十五分，下达了对长春总攻击的命令。四时开始炮轰。上午十一时日军占领了二道沟宽城子车站。南岭方面，中国军队驻有东北炮兵十团，步兵二十五旅五十团，另有辎重兵一个营和弹药库。日军深恐其兵力单薄，又调驻公主岭的独立守备队第一大队主力乘车驰援长春，会攻南岭。下午五时三十分，南岭为日军侵占。日军在对南岭与宽城子的中国军队缴械的同时，从上午六时半至下午十时半，侵占了市公安局与各分局和派出所、电力厂、吉长镇守使署、无线电台等市政交通机关。在国民党政府的不抵抗命令下，不到一日，长春沦于敌手。
日军在9月19日占领沈阳、长春等地之后，将其军事指挥机关和军队主力转移到作战前线。关东军司令部移驻沈阳，第二师团集结长春，为下一步侵占吉林、哈尔滨作准备。按照关东军“根本解决满蒙问题”的战略方针和不失时机地主动进攻，“防患于未然”的战略进攻思想，决定以东取吉林、北攻哈尔滨为第二期作战的主要目标。因为占领了吉林、哈尔滨既可巩固对南满的军事占领，又可以进而夺取整个北满。
日军侵占有吉林市，也是首先造出兵借口，然后实行军事占领。按照原定计划，由甘粕天产宪兵大尉和日本吉林特务机关长大迫通贞步中佐，于20日秘密投弹炸毁日本侨民的房屋，诬称是吉林省城中国军队所为。然后再以特务机关长名义和吉林日本侨民会长名义，打电报给关东军司令官，诡称吉林形势险恶，要求出兵保护日侨。滞留在沈阳的参谋本部作战部长建川，在9月20日访问关东司令部时指示说：“鉴于中东铁路性质和目前一般形势，虽然不可向长春以北派兵，但对吉林、洮南等地尽快加以打击，应该说是有利的。”根据建川的指示和坂垣、石原两参谋的强烈要求，关东军司令官本庄繁于9月21日午后三点，在关东军幕僚的会议上，做出了出兵吉林的决定。
侵占长春的日军第二师团接到命令后，立即向吉林进犯。9月21日上午9时50分从长春乘装甲列车开始进犯吉林市。由于代理吉林省主席、吉林边防署司令熙洽的叛变，中国军队已于21上午11时40分全部退出省城。接着，熙洽又派密使与日军第二师团长多门中将在桦皮厂车站装甲列车上会见，达成无条件投降、迎接日军进城的卖国协议。
熙洽是清朝皇族的近支，又曾留学日本士官学校，与日军师团长多门二郎有师生关系，素有亲日倾向，更暗怀恢复清朝统治思想，妄想借日军力量，恢复清朝政权。所以在日军侵占长春后的翌日，即9月20日，熙洽即派副司令长官公署秘书张燕卿携密函赴长春面见多门，表示甘心卖国投降。他得到多门的暗许后，即着手布置出卖吉林的叛国阴谋。
在熙洽未迎接日军进入吉林以前，省城原有驻军为第二十五旅旅长张作舟所辖步兵第三十二团、第三十三团，副司令长官公署卫队所辖的三个步兵营，一个骑兵营和一个炮兵营。9月20日下午，熙洽以副司令长官名义发出命令，声称“为了避免冲突，保存实力，中日事件由外交解决，各部队长应严约所部不得擅自抗击，致使事件扩大，各驻省各部队即时一律开出城外数十里待命”。当时各部队因不明真相，全部遵令撤出。
到了9月23下午，熙洽竟派副司令长官公署秘收张燕卿、军官教练处总办齐知政等，陪同日军多门师团长所带天野旅团进入吉林，接着就分别占据省城重要机关，并掠夺银行大批库银和军械厂原存大批枪弹。从此，吉林山河变色，人民残遭蹂躏，陷入亡国深渊。
至此，仅仅为时一周，日军已攻城30座，攻占了辽宁、吉林两省、控制了东北的主要交通干线。
哈尔滨当时为东北特别行政区官署所在地，既是华洋杂处的国际市场，又是中苏共管的中东铁路的总枢纽。“九一八”事变后，日军鉴于哈尔滨的国际关系，放弃了立即用武力夺取的计划，而利用东北特别行政区区官张景惠，使其先在哈尔滨建立傀儡政权。张景惠，早在28年皇姑屯事件时即与日寇勾结，准备响应日本的满蒙独立运动。“九一八事变时张景惠在沈阳曾与坂垣密谋。他答应回哈尔滨后宣布”独立“坂垣答应接济枪支弹药，并派日本顾问新井宗治随同前往。张回哈后，于9月27日发出布告，正式成立伪”东省特别区治安维持会。听任新井顾问等从中把持特区政权。9月30日宣布编募特区警备队。该队共凑集二千余人，由日军供给步枪二千支，枪弹四十万粒。但因当时哈尔滨还有吉林边防军代理副司令李振声等部表示抗日，迫使张景惠暂时不敢公开反对吉林抗日军和完全暴露其汉奸的面孔。
1932年1月27日，本庄繁借口在哈尔滨傅家甸有四个日籍人被抗日军所杀，应哈尔滨日本侨民会会长的请求，下令出兵哈尔滨。2月3日，日军开始总攻，并占领哈尔浜南面的门户双城。2月4日，抗日军在三间堡子同日军再次激战。2月5日进行了哈埠市街战。同日上午10时，抗日军向宾县、巴彦方向撤退，哈尔滨即被日军占领。至此，东北大好河山全部陷入敌手。
“九一八”事变前，中国东北军号称30万人，“九一八”事变后，驻辽宁军队有5万人退进关内，还有14万人，而日本关东军当时仅有一万余人。“九·一八”事变后虽然陆续增兵，但至1933年4月下旬，总共也不过二万余人。中日兵力对比，数量相差如此悬殊，而日本侵略者，竟能轻而易举地制造柳条湖事件，一夜之间占领沈阳城，一日之内攻城二十座、掠地千余里，四个月零十八天，占领东北三省和一个特区，一口气吞下了相当于日本本土三倍的中国国土，使三千多万同胞陷入水深火热之中。在后来流行于民间的一首小调中，东北人民悲愤地申诉道：
高梁叶子青又青
九月十八来了日本兵！
先占火药库，
后占北大营。
杀人放火真是凶，
杀人放火真是凶；
中国军队好几十万，
恭恭敬敬让出了沈阳城。
