1931年6月中旬，日军参谋本部秘密制定了《解决满蒙问题方策大纲》，确定了以武力侵占中国东北的原则。板垣和石原在7月组织的最后一次"参谋旅行"中，与日本驻沈阳的特务机关密商了具体方案，决定于9月28日在柳条湖附近炸毁一段"南满"铁路，诬称为中国军队所炸，以此为借口突袭张学良的部队。正当准备就绪即将行动时，消息走漏传到东京，日本军部考虑到国内外形势尚不成熟，要板垣等人"再隐忍一年"，并派参谋本部焦点部部长建川美次前往沈阳制止关东军擅自行动。板垣得知后，决定提前动手。
17日，板垣随本庄司令官到辽阳巡视。18日下午，本庄回旅顺关东军司令部，板垣于早晨到沈阳。他再一次周密检查了炸柳条湖铁路的准备工作，然后前往本溪湖迎接建川。在一同回沈阳的途中，建川有足够的时间与板垣交谈，但他并没有制止肇事的意思，实际上他在暗中怂恿板垣行动，对事件能够成功深信不疑。
到沈阳后，板垣把建川领到日本人开的"菊文"酒馆，找来艺妓陪他饮酒取乐。板垣和建川默契配合，把沈阳和东京这两个齿轮的啮合错开，让沈阳转快一个齿。板垣没有参加酒宴，他连忙赶往策划阴谋的沈阳特务机关坐镇指挥。
当晚10时18分左右，关东军岛本大队工兵中尉河本末守等人，用一枚骑兵用的小型炸弹在距东北军兵营约800米处炸毁了一段铁轨，又在现场摆了三具身穿中国士兵服的尸体。几乎与此同时，24cm榴弹炮巨大的轰击声震撼了沈阳全城。
日本领事馆代理总领事森岛守人赶到特务机关，板垣对他说：中国正规军的军人炸毁了南满铁路，严重侵犯了日本权利，日本应采取坚决措施，动用军队，为此已向军队下了命令。森岛试图说服板垣不要匆忙行事。
板垣平素青白色的脸此刻变得像一块生铁。他握着军刀的刀把，大声地申斥道："不要干涉统帅权!"
特务花谷有恃无恐，刷地拔出军刀，把刀尖顶着森岛的衣领狂吼："谁敢干涉就杀了他！"
板垣以关东军司令官本庄繁的名义，命令早已在暗中做好准备的关东军向东北军猛攻，迅速占领丁东北军的北大营。同时猛烈炮击兵工厂、空军司令部、飞机场及大学等处。次日晨日军攻占了整个沈阳市。
"九·一八"事变就这样爆发了。
蒋介石下令"绝对不许抵抗"，东北军忍辱含悲撤往关内。"军官流涕，士兵痛哭，悲号之声，闻于遐迩"，东北大地飘摇下沉，红高粱的黑土地燃烧着散发出浓甜灼烫的血腥气息。
不出四个月，东三省沦陷。
面对大量的事实材料，板垣尽管有时流露出渺茫的表情，但他不是能言善辩地对抗质问，就是以略带日本东北的口音说"不知道"，蛮横地予以否认，态度极为顽固。当他的律师山田提出的13件文字证据都被驳回时，他依然不动声色地书写记录，悄悄地递给他的律师。他的一个证人对此评价道："这也是一种方式，即所谓作为一个军人想到的就是死。"
审讯板垣时，先后有15个律师和证人为他出庭辩护。他的第一个证人是"九·一八"事变发生的当晚指挥日军的联队长岛本。他说，那天晚上他在朋友家喝酒喝得醉醺醺的，回到家后才得到事变发生的报告。我方检察官当即打断他的话说："你既然声称自己喝醉了，那么，一个当时的糊涂酒鬼能证明什么?又怎么能出庭作证人呢?"一下子把岛本轰了下去。板垣的辩护班子虽然准备了大量的材料，但都没有真凭实据，站不住脚，这个下马威更打击了他们的信心，而后未上场先气馁了三分。
事实和罪证像铁一样确凿坚定，问题在于板垣坚持反动立场和不肯服罪的决心。1946年9月18日，他在巢鸭监狱第一次渡过事变纪念日时写下了这样的日记：
"在监狱里渡过满洲事变15周年，真乃感慨无量。昭和6年已变为21年；老身47岁已变成62岁，深感身心老矣。
"回顾往事，除处理日常工作外，并无惊慌恐惧之事。当初日本各界不予谅解，我等虽处于四面楚歌之中，然仍在默默地完成应当完成的重任……"
在以不无自负和玩味的笔触作了一番回忆后，他还赋诗直抒胸臆，以表达他坚强的反动意志：
决死十五载，白发三千丈。
意气常冲天，扩大天地间。
当年志气壮，今日犹未衰。
邻邦满洲风云起，
王道乐土何处觅。
策划"九·一八"事变成功后，板垣征四郎马上伙同沈阳特务机关长土肥原贤二，提出建立一个以清朝废帝溥仪为首甘受他们摆布的傀儡政权，并积极地从事阴谋活动。1931年9月30日，板垣派日本特务上角利一前往天津，在海光寺日本兵营会见了住在天津协昌里"静园"的溥仪，巧令口舌诱骗他到东北去"复辟大清"。胆小多虑的溥仪心里没底，说要回去考虑一下再作答复。此后素有"东方劳伦斯"之称的土肥原贤二又专程到天津，以恫吓与利诱兼之的手段，于11月18日秘密地把溥仪挟持到旅顺。
但此时还不能把溥仪推出来。因为在"九·一八"事变发生时，正值国际联盟召开第十二届年会，在国民党政府的请求下，国际联盟出面"调停"，作出了"停止一切冲突，双方撤退军队"的决定。板垣遂又图谋在上海挑起新的事端，以绕开国联的干涉。他向日本驻上海公使馆武官田中隆吉打了一个电报："外国的目光很讨厌，在上海搞出一些事来。"并拨给田中隆吉二万日元活动经费。田中隆吉在上海驱使自己的爪牙四处寻衅滋事，于1932年挑起了"一·二八"事件。在东京国际军事法庭上，田中隆吉作为证人，与法官有一段对话：
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