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事实上关东军连一年之期亦不愿等待，此时已经基本上做好了侵占东北的准备。为了分散张学良的注意力和牵制东北军主力于关内，使其无暇顾及东北，一方面挑唆石友三发动反对张学良的军事叛乱和鼓动蒙古独立，以配合日军对沈阳的进攻，一方面加紧制订作战计划。１９３１年４至６月间，石原莞尔和板垣征四郎制订出一系列具体的阴谋活动和作战计划。当时分工：由奉天特务机关的花谷正制造发动战争的借口、制订爆炸柳条湖铁路的行动计划；由高级参谋石原莞尔制订进攻北大营和攻占沈阳、长春、吉林的作战计划；由吉林特务机关长大迫通贞制订在吉林、哈尔滨制造暴乱行动的计划。整个侵略计划的特点是行动迅速，要求在一夜之间造成占领沈阳、长春的既成事实，以防止外国的干涉。４月２６日拟好了攻占沈阳的作战计划，３１日研究了发动侵略借口的“谋略”。至６月１９日，全部计划均已完成。主要内容为：发动侵略的当晚，独立守备第２大队的第３中队以演习为名，从石虎台驻地南进，一部至柳条湖铁路边，主力至北大营外围展开。一俟柳条湖铁路炸毁，第３中队即向北大营进攻。在沈阳城内的板垣征四郎则以关东军司令官的名义，按照石原莞尔拟定的计划，命独立守备第２大队进攻北大营，步兵第２９联队进攻沈阳城。石原的计划还规定以辽宁的第２师团主力和公主岭的独立守备队一部支援沈阳作战；在长春的第３旅团和骑兵第２联队对宽城子、南岭的中国军队作好战斗准备；驻营口、本溪、安东铁路沿线的守备队向就近的中国军队进攻；占领沈阳后，第２师团利用在吉林制造的暴动，以护侨为名进占吉林，同时向朝鲜军请求派出陆军和航空兵越过鸭绿江进行支援。计划还规定：如苏联出兵干涉，关东军以一部兵力占领哈尔滨和齐齐哈尔，主力位于吉林北舒兰一带及白城子至索伦地区。
这一计划制定后，石原、板垣与参谋本部、陆军省、朝鲜军以及关东军内有关人员秘密地进行了联系，以便届时统一行动。为了进攻沈阳，关东军还通过陆军省军事课长永田铁山批准从东京调出２门２４厘米的重型榴弹炮，于７月间调至东北。为保守秘密，将炮身藏于大木柜中，从神户用客船装运；在大连上岸时，参加搬运的驻旅顺重炮大队的士兵都穿中国便服。运至沈阳后，安装于独立守备第２大队营房内，预定“一门攻北大营，一门攻奉天飞机场”，由重炮兵大队长松本正文对各射击目标进行了实地测量和标定，并由驻海城的野炮兵第２联队长河村圭三进行了校正。“这些重型火炮，在以后进攻北大营的战斗中发挥了难以估量的威力”。
与此同时，７月１日日本参议官会议决定将驻中国东北的日军由轮换制改为常驻制，并密令第２师团以联队为单位集中驻屯，独立守备队各大队、中队亦相对集中兵力，以便随时投入战斗。驻朝鲜的日军第１９、第２０师团亦作出了向中朝边境集结的计划，准备从图们江和鸭绿江两个方面越境以支援关东军，并派出先遣部队进行架桥和测量等战备行动。
日本为了制造侵占东北的借口，利用“万宝山事件”和“中村震太郎间谍事件”，把所谓的“满蒙危急”的鼓噪推至顶峰，用以煽动日本人狂热的反华情绪。前关东军司令官白川义则和菱刈隆在军事参议官会议上提出：“应利用中村事件这个机会使用武力，一举解决各项悬案。”
此时，日本侵占中国东北的军事部署已经完成。８月１日，任命曾担任过张作霖军事顾问和驻华武官、熟悉东北军内情的本庄繁为关东军司令官，任命曾主持制订《解决满洲问题方策大纲》的建川美次为参谋本部的作战部长，任命“中国通”土肥原贤二为沈阳特务机关长。陆相南次郎在８月３日、４日召开了有军司令官及师团长参加的军事会议。参谋总长金谷范三在３日会上特别要求关东军、朝鲜军、台湾军的三名司令官本庄繁、林铣十郎和真琦甚三郎认真细读“强调从根本上解决满蒙问题”的《昭和六年度形势判断》文件。南次郎在４日会上指示：“满蒙在国防、政治、经济上对日本的生存发展有极为密切的关系”，如事态恶化时，凡属军职人员，应准备“随时尽军人之天职”。
在这次会议后的秘密会议上，关东军高级参谋板垣征四郎向参谋次长二宫治重、陆军省次官杉山元汇报了关东军准备在东北采取军事行动的方案，并按其原定的计划向朝鲜司令官提出请朝鲜军协助的请求。林铣十郎当即明确应允。本庄繁于会后还分别拜会了陆军与海军大臣及次官，参谋总长及副总长，军令部长及次长，还有外务大臣、政务次官等军政要人，对“满蒙”问题交换了意见。８月２０日，本庄繁抵旅顺就职，他审查了石原莞尔制定的作战计划。９月３日，他对关东军高级军官训示：“今后可能发生更多不幸事件”，“这样最后解决的时机就更接近了”，“第一线部队要经常注意情况的变化，要有当事件突发时决不失败的决心和准备”，“特别是独立执行任务的小部队……要断然遂行自己的任务”。９月７日，本庄繁开始视察南满铁路沿线的日军，检查战备情况，进行战前动员，并按石原所定计划，组织实施“出动演习”。１３日，本庄繁在长春对部队训示说：“对反抗我军者”要“采取断然处置手段”。由上述事实可以看出，关东军已进入临战状态，侵占东北的战争即将爆发。
此时，日军在东北的正规军已达１．５万余人（第２师团为缩编部队，每步兵联队缺１个步兵大队，每大队缺１个步兵中队，全师团约１．０４万人；６个独立守备大队，每大队４个步兵中队，每中队１６０人，共约４０００余人；还有旅顺要塞部队和重炮兵大队等），另外有在乡军人和警察等辅助部队约１万余人。总兵力约２．７万人。日军以沈阳为中心，部署于南满铁路沿线，以便于机动兵力。其具体兵力部署为：
第２师团司令部，师团长多门二郎中将，驻辽阳；
步兵第３旅团，旅团长长谷部照少将，驻长春；
步兵第４联队，驻长春；
步兵第２９联队，驻沈阳；
步兵第１５旅团，旅团长天野六郎少将，驻辽阳；
步兵第１６联队，驻辽阳；
步兵第３０联队，驻旅顺；
骑兵第２联队，驻公主岭；
野炮兵第２联队，驻海城；
工兵第２中队，驻铁岭；
独立守备队，司令官森连中将，驻公主岭；
独立守备第１大队，驻公主岭；
独立守备第２大队，驻沈阳；
独立守备第３大队，驻大石桥；
独立守备第４大队，驻连山关；
独立守备第５大队，驻铁岭；
独立守备第６大队，驻鞍山；
重炮兵大队，驻旅顺；
关东军宪兵队，驻旅顺；
旅顺要塞司令部，驻旅顺；
特务警察队，驻大连；
在乡军人总部，驻沈阳。
蒋介石和张学良对日本的侵略野心和战争准备是了解的。早在１９３１年７月初，蒋介石就和张学良交换过是否“与日本开战”的意见。这表明，在７月初，蒋和张就认为东北形势已严重到中日两国就要“开战”的程度了。但是，８月１６日蒋介石却电告张学良：“无论日本军队此后如何在东北寻衅，我方应不予抵抗，力避冲突，吾兄万勿逞一时之愤，置国家民族于不顾。”张当即转令东北军负责长官遵照。９月６日张学良又电告臧式毅代主席和荣臻参谋长：“查现在日方外交渐趋吃紧，应付一切，亟宜力求稳慎，对日人无论其如何寻事，我方务须万分容忍，不可与之反抗，致酿事端，即希迅速密令各属，切实注意为要。”９月１２日，蒋介石与张学良密会于石家庄，在专车上蒋介石对张学良说：“最近获得可靠情报，日军在东北马上要动手，我们的力量不足，不能打。我考虑到只有提请国际联盟主持正义，和平解决。我这次和你会面，最主要的是要你严令东北军，凡遇到日军进攻，一律不准抵抗。”同一天，张接到外交部密电：据中国驻日本公使电告，近日日本政府决定了对“满蒙的最后方针”，已密令驻南满铁路沿线的日军“相机为紧急有效的处置”。
东北边防军代理长官张作相在锦州也得知中日问题已到严重关头，遂派部下李济川去北平见张学良。张重复中国驻日公使的话，并一再嘱咐张作相“赶快回沈阳主持政务”，并说：“倘遇日军进攻，中国军警不得抗拒，须将军械子弹存于库房”。〔２６〕以上足以证明蒋、张在事变前已经知道日军可能马上就要以武力侵犯东北，只不过他们幻想以屈辱妥协的不抵抗主义来乞求事件不扩大，以便局部地解决。这不仅大大助长了日军的侵略气焰，而且使东北军在思想上首先放下了武器。
东北易帜后，东北军编成步兵２５个旅、骑兵６个旅、炮兵１０个团。１９３０年９月，张学良支援蒋介石参加中原大战，以其９个精锐旅共１０万人编成两军，由于学忠、王树常统领入关。中原大战结束后，入关的９个旅及配属（骑兵３个旅及炮兵、工兵等）分驻在平津一带。１９３１年７月，为讨伐石友三的反蒋反张战争，又将东北的步兵３个旅、炮兵２个团共８万人调进关内。再加上驻山海关的何柱国旅，这时东北军步兵精锐和大部炮兵分布在平津及河北、察哈尔一带。留驻东北的步兵１２个旅、骑兵３个旅和省防旅，装备都较关内部队差。由于东北军政当局历来是反共反苏的，特别是１９２９年中东铁路事件后，在兵力部署上主要是用来对付苏联。“九一八”事变前夕，在东北的正规军１６．５万人、非正规军４万人，总计约２０万人。具体驻地是：
辽宁驻军：
独立第７旅王以哲部，驻沈阳；
独立第１２旅张廷枢部，驻锦县；
独立第２０旅常经武部，驻郑家屯；
骑兵第３旅张树森部，驻通辽；
省防一旅于芷山部，驻山城镇；
省防二旅张海鹏部，驻洮南；
公安总队（由原第２０师改编）黄显声部，驻沈阳；
辎重教导队牛元峰部，驻沟帮子；
东北空军、海军及宪兵司令部，均驻沈阳；
吉林驻军：
独立第２１旅赵芷香（后张治邦接任）部，驻宁安；
独立第２２旅苏德臣部，驻双城；
独立第２３旅李桂林部，驻长春；
独立第２４旅李杜部，驻依兰；
独立第２５旅张作舟部，驻吉林；
独立第２６旅邢占清部，驻哈尔滨；
独立第２８旅丁超部，驻哈尔滨；
骑兵第４旅常尧臣�