按照张学良和杨虎城事前的部署，东北军负责西安到临潼一线的警戒，并包围和攻打华清池，活捉蒋介石；十七路军（即西北军）负责解除中央宪兵、特务、警察和驻西安城内的中央军武装，控制机场、车站、邮局等重要据点，扣留在西京招待所及散居它处的南京军政要员。指挥部设在杨虎城的绥靖公署新城大楼，张学良、杨虎城分别担任总指挥和副总指挥。

1936年12月12日，震惊中外的“西安事变”爆发，历史上也称其为“双十二事变”。当日早晨五点，东北军白凤翔部对蒋介石行辕临潼华清池发动进攻，卫队营营长孙铭九率领100多士兵击溃华清池警卫，冲入院内，蒋介石贴身侍卫20余人进行了拼死抵抗，但终因寡不敌众而或死或伤。接着，孙铭九沿假山小路直扑华清池内院最后一排蒋介石下榻的五间厅，不过当他抵达时，却发现蒋介石卧室门户大开，一向和蒋介石形影不离的假牙还放在茶桌上，蒋介石的上将军服、公文包和帽子等也是一样不少，唯独蒋介石本人不见了踪影。孙铭九用手一摸被褥，发现还是热的，因此断定蒋介石还没跑多远，于是下令立刻搜山。随后，师长白凤翔和团长刘桂五赶到现场，因这二人已经在前一天勘察过华清池的地形，所以他们也认定蒋介石一定是沿后山逃跑了。

蒋介石方面。在东北军攻入华清池时，蒋介石的行辕内枪声大作，正在五间厅内睡觉的蒋介石被枪声惊醒，还以为是红军打进来了，因此惊恐万分，来不及穿好衣服，带好假牙，便在侍卫的保护下跳窗逃出。由于前院枪声密集，蒋介石只好跑到后院，并在侍卫的帮助下爬上墙头，翻墙而出，不料墙外是七八尺深的乱石沟，蒋介石这一跳不慎摔伤了腰，划破了脚，还丢了一只鞋。接着，蒋介石不顾疼痛，趴在侍卫的背上，由侍卫背着他一路跌跌撞撞的逃往郦山。天色渐亮后，蒋介石及侍卫已爬到半山腰，结果发现山顶上也有人警戒，于是蒋介石便让侍卫将其放下，一个人躲进了一块虎斑石东侧的石峡洞中，侍卫则伏在乱草丛中隐蔽。

蒋介石不见了的消息传到指挥部后，张学良焦急万分，一再表示：“如果找不到蒋介石，我就割了自己的头，请杨虎城拿到南京谢罪，了此公案，绝不能因要停止内战而引发内战。”。随后，张学良向临潼加派人手，下令一定要找到蒋介石。

12月12日早晨八点，伏在草丛中的蒋介石的侍卫左右观望、打算伺机出逃之时，被正在搜山的东北军发现，当东北军问他蒋介石的去处时，他情不自禁的朝石峡洞方向一瞥，结果这一举动被东北军察觉，几名东北军士兵立刻端起枪对准洞口方向，喊道：“里边的人快出来，否则开枪！”，就这样，蒋介石被发现了。蒋介石战战兢兢的出来后，连连追问：“你们是什么人？是什么军队？”，当得知这些士兵并非红军，而是东北军时，蒋介石心里有了底，也平添了几分愤怒，他大怒道：“你们打死我啊！打死我去向张学良请功啊！”。由于蒋介石腰上有伤，因此东北军连背带架将他送上了汽车，然后劲直开往西安城内的绥靖公署新城大楼。

“西安事变”十年后的1946年，当时执政西安的胡宗南在事变的发生地华清池修建了一座石亭，并取名为“正气亭”，也叫“民族复兴亭”。中共夺取全国政权后，将这座亭子改名为“捉蒋亭”，以为嘲讽。1986年12月，在“西安事变”50周年前夕，台海两岸关系开始缓和，中共方面也开始用更理智的眼光来看待那段峥嵘岁月，感情色彩渐渐褪去，这座亭子也因此易名为含义较为中性的“兵谏亭”。

就在东北军华清池捉蒋的同时，杨虎城的西北军也在西安城内积极行动，不过他们的行动似乎要顺利得多。12月12日清晨，十七路军宪兵营围困了西京招待所，将还在睡梦中的10余名南京政府的军政要员，连同他们的家属、随员等共五六十人一并扣押，统统集中到了楼下的大厅里。宪兵营营长宋文梅在清点人数时发现，南京方面的重要人物陈诚和邵元冲并不在其中。原来，邵元冲在事变发生时跳窗逃出，但被十七路军宪兵发现，在鸣枪示警无效后，宪兵朝邵元冲连开两枪，打中其小腹，邵元冲后来在医院因伤重不治而死去。至于陈诚，他在事变发生时躲进了招待所地下室，十七路军宪兵搜查多次都没发现他，不过最后宪兵还是在地下室墙角一个倒扣着的装啤酒的木箱里发现了陈诚。

在杨虎城十七路军的这次行动中，南京政府方面的陈诚、邵力子、蒋鼎文、陈调元、卫立煌、朱绍良、邵元冲等军政要员被扣押，西安全城被西北军控制。

“西安事变”发生当日，张学良和杨虎城致电南京政府并向全国发出通电，表示此次“兵谏”捉蒋乃是“学良等多年袍泽，不忍坐视，因对介公为最后之诤谏，保其安全，促其反省”，同时提出西北军民八大主张：一、改组南京政府，容纳各党各派，共同负责救国；二、停止一切内战；三、立即释放上海被捕之爱国领袖；四、释放全国一切政治犯；五、开放民众爱国运动；六、保障人民集会结社之一切政治自由；七、确实遵行总理遗嘱；八、立即召开救国会议。在电文的结尾，张学良还说：“为功为罪，一听国人之处置。”。

当时，宋美龄正在上海以航空事务委员会主任的身份向各级官员了解情况，首先得知蒋介石被扣押消息的是她的大姐夫孔祥熙。当孔祥熙将这一消息转告宋美龄时，宋美龄极其震惊，在平静下来后她说：“这么多年来，委员长每次出巡各省，我都在身边陪伴，就这次因病没有相陪。如果我在西安的话，局势就不会恶化到这种程度了。”。的确，在嫁给蒋介石后，宋美龄一直都是蒋介石在政治上的缓冲剂，倘若当时她在西安，蒋介石一定不会如此粗暴和苛求的对待对其怀有戒心的张学良。12月12日当晚，宋美龄和孔祥熙以及蒋介石的顾问端纳乘夜车返回南京，次日早晨抵达。

12月12日下午3点50分，“西安事变”的消息传到南京，南京政府炸开了锅，在宣布全城戒严的紧张气氛下，国民党中央常务委员会和中央政治委员会于当晚11时连夜召开联席会议，决定由孔祥熙代理行政院长，褫夺张学良本兼各职，会议一直开到第二天凌晨三点。在如何处理事变危机的问题上，国府内部形成了以军政部长何应钦为首的“讨伐派”和以蒋夫人宋美龄为首的“调和派”。

当时，军权仅次于蒋介石的何应钦力主派大军讨伐西安，甚至不惜用空军将西安炸平，名为讨逆，实为借机置蒋介石于死地，以取而代之。何应钦的主张得到了国民党内大多数人的赞同，这些人站在维护政府威信的立场上，怀着对张、杨兵变的愤慨，一致主张出兵讨逆，进行快速和严厉的报复行动，立即向西安开战，甚至不惜玉石俱焚，轰炸整个西安并进军西北。

南京政府内部在对“西安事变”处理方式上的分歧既源于个人和派系间的利害冲突，又有深刻的国际背景，其实质是亲日和亲英美两股政治势力的角逐。当时，何应钦背后有日本的鼓动和支持，日本一心想挑起中国更大规模的内战，以坐收渔翁之利，因此积极支持何应钦讨伐主张联合抗日的张、杨二人，甚至发表声明说“南京政府如真能实行反共防共，日本军民不惜给予援助”，而“如果与张学良进行妥协，则日本政府不能继续取静观态度”。相反，力主“救蒋”的宋美龄则是得到英美的帮助，英美早已不满日本贪得无厌的侵占和危害他们在中国的利益，也明白蒋介石一旦完蛋，南京政府就会被亲日派把持，他们的在华利益将更难以保障，所以，英美竭力鼓吹和平解决西安事变，保持蒋介石的权力，为此甚至提出不妨同共产党采取某种形式的联合。

虽然亲日的一方和亲英美的一方都不是从大局出发，顾全民族和国家的利益，但客观上他们却主导着西安事变后中国的政治走向。何应钦表面站在蒋介石的立场上，对张学良、杨虎城采取强硬态度，但客观上却造成了有利于日本大举侵华的效果；宋美龄从蒋介石的切身安全出发，对张学良、杨虎城采取较为“软弱”的态度，似乎偏袒了张、杨二人，而效果上却是有利于国共言和，团结抗日。

蒋介石被扣押在西安绥靖公署新城大楼东头的内套间后，张学良曾亲自前往探视，但却只是碰了一鼻子的灰——又被蒋介石大骂了一通。12月13日上午，蒋介石用便条给夫人宋美龄留下遗嘱：“美龄吾妻，余决心殉国，经国、纬国吾子即汝子，望善视之。”，并将其交给一位副官，让其发往南京，不过这位副官却将遗嘱交给了张学良和杨虎城。12月13日晚，张学良、杨虎城因新城大楼人员复杂，决定将蒋介石迁至张公馆附近，但蒋介石却死活都不肯挪；14日下午，蒋介石单独约见杨虎城；14日晚5时许，蒋介石的顾问英国人端纳前来探望。端纳此行是受宋美龄委托，为蒋介石带去她亲笔所写的两封至关重要的信，一封写给张学良，一封写给蒋介石，在给蒋介石的信中，宋美龄又是嗔怪又是安慰，表示“在可能和必要的时候，我愿意亲自去西安一趟。”，并在信的末尾写道：“最后告诉你一句 ：南京的情形是戏中有戏。”。

当蒋介石读到宋美龄信中所写的最后一句话时，竟当着端纳和张学良的面痛哭流涕，抽噎了好一阵。端纳趁机劝说蒋介石转变态度：“张将军对蒋先生并无恶意，只是要求停止内战，一致抗日，只要蒋先生答应这个要求，张、杨两将军还是竭诚拥护您做领袖。”，张学良也趁机说服蒋介石搬到了金家巷张公馆附近的高桂滋公馆。

12月14日，张学良在西安电台向全国发表广播讲话，取消“西北剿总”，组织“抗日联军临时西北军事委员会”，张学良任主任委员。