經過進一步分析研究，案犯與北京有聯系的觀點得到肯定，這為摸排工作又增加了一個新的條件。隨后，賀之彬的執勤證被人在十戶灘小學附近發現，這個重要證據的出現使得摸排范圍大大縮小。新疆公安廳副廳長陸懷疆親自前往北京尋求合作。8月11日，搶槍得手的白寶山、關天明將作案用的紅色摩托車扔到河里，企圖銷毀證據。14日，兩人赴烏市邊疆賓館實地踩點。并將作案用的槍支、換穿的衣服事先埋在離邊疆賓館不遠的新大附中院內一處不為人察覺的小樹林里，為以后作案作好了準備。

張學良回國后，張作霖帶著各級軍官和家人觀看了他帶回的有關日軍現狀的影片，張學良告訴父親，自己沒被嚇住，而是激發了整頓軍隊的決心，東北軍必須迎頭趕上拉近與日軍的距離。郭松齡說日本人給了張學良儲君待遇是想要拉攏他，而他這種憂慮體現了他的民族意識，國家出現了問題，每個人都有責任找出一條路。張學良說張作霖已經正式任命楊宇霆為總參謀長，郭松齡卻說楊宇霆不是來整軍的，而是為了實現自己的野心。張學良帶著徐副官去見了楊宇霆，楊宇霆說自己勸張作霖不要接受吳佩孚的挑戰，而張學良的“整頓軍紀、加強訓練、選拔軍官、全面整頓”十六字方針跟自己不謀而合，自己找他是為了合作的。兩人就整軍一事初步達成了統一的步調。隨后，張學良和徐副官帶了酒食給巡視演習場地的郭松齡等人，郭松齡聽張學良談到楊宇霆，立即大光其火，揚長而去。第五混成旅二團六連嘩變，士兵搶掠如土匪，楊宇霆提議張作霖召開了最高級別的軍事會議，張學良被父親叫來參會，意外的得知自己被任命為第二梯隊總司令，統轄三四八旅。張作霖決定與直系吳佩孚作戰，可那些老把式卻沒有一個真的愿意打，楊宇霆告訴張學良最好的革新就是實戰，否則永遠沒有機會。清晨，張學良偷偷的起來拿錢發現密

案情分析會上，因人影庫并未丟失任何東西，這令在場的大部分公安感到莫名其妙。但其中的一大疑點促使大家不敢松懈，偵破工作從查槍開始。來新疆后，白寶山的計劃一時難以實現，他覺得很窩火，從不喝酒的他和關天明喝了個一醉方休。正當兩人喝得臉紅脖子粗時，竄門回來的謝玉敏興高采烈地說，她從劉傳榮女兒處聽說烏魯木齊市有個邊疆賓館。想不到這里竟是一個異常活躍的邊貿市場，很多維族人竟用旅行包提著成捆的錢做倒匯生意。新的作案計劃馬上在白寶山的頭腦中形成了！

張作霖連發三道電令讓郭松齡回奉天述職，郭松齡置若罔聞。張學良回到奉天，張作霖問他有多大把握控制第三軍團，張學良說這取決于郭松齡的態度。張作霖暴跳如雷的諷刺張學良將郭松齡當成寶貝疙瘩一路捧著哄著最后卻無法號令，要他當著自己的面給郭松齡打電話，張學良無言以對，撥通天津的電話卻找不到人。1925年11月22日，郭松齡發布了三個舉兵反奉的政治通電：要求張作霖下野請張學良接管軍政大權，宣布主和罷戰宗旨，討伐楊宇霆，此電令一出，震撼全國。張廷樞出走關外，馮庸帶著駐津的飛機飛往奉天。23日，第三軍團的軍官在灤州火柴廠集結，郭松齡作了“拯救東北拯救國家”的講話，號令大家討伐造成兵連禍結的以楊宇霆為首的妖孽，不少人在自愿出兵伐奉的方案書上簽字，郭松齡和韓淑秀表示已經樹立以死報國的信念。張學良連夜乘坐專列去往天津，中途卻遇到山海關的鐵路被破壞了，原來，郭松齡聲稱張作相叛變，派了工兵營長切斷了鐵路電纜。儲世新和另外四位誓死效忠張家的軍官沒有簽字，郭松齡告誡儲世新不要將個人意氣凌駕于理想和信念之上，派人將他們送走了。而蒙在鼓里的姜登選被郭松齡請了過來，隨即下令“送君送到陽關道”。張作霖給兒子發布了正式的公文請

蔣介石終于被找到并且送回了西安軟禁到新城公館，張學良前去看望，說自己是應全國人民的要求發動這次事變，希望他能勇于悔改，聯合全國的力量堅決抗日，如果執拗不悟堅持己見唯有讓民眾公裁。蔣介石喊叫耍賴就是不愿聽他的。張學良自扣蔣后受到國內國際鋪天蓋地的輿論，他雖有精神準備但仍然頗感震撼。張學良急于見到周恩來，派了飛機去迎接。見面后，張學良告訴周恩來，自己不僅要抗日還要救國，無論哪方面歸根到底是要實行根本性的政治改革，充斥著親日派和妥協勢力的南京政府非改造不可，必將中央政府置于全國抗日黨派團體的革命監督下不可，如果放棄這些改造收復東北就是一句空話。宋美齡要求南京方面立即停止對西安方面的軍事行動，這樣不僅會危及蔣介石的生命，還會使事態更加嚴重。毛澤東認為無論張學良如何處置蔣介石，南京方面與張楊的關系沒有任何妥協的可能性，國民黨的大舉進攻不可避免，所以只能力爭好的前途同時也要準備應對壞的局面。宋子文面見蔣介石后，蔣介石讓他將自己寫給家人的遺囑交給張學良。張學良認為他是在跟自己打心里戰。宋美齡乘坐飛機飛往西安，張學良過來接機，他答應宋美齡不讓衛兵搜查她的行李。宋美齡說她是為和平和抗日而來。見到蔣介石，