張、楊確定兵諫計劃后，楊虎城也做了一些必要的準備。他令孔從洲詳細了解南京軍、警、憲、特機關(guān)在西安城內(nèi)和郊區(qū)的分布情況，以及西安市區(qū)的交通要道和所需的警戒兵力。楊還令孔從洲在夜間進行了一次有針對性的軍事演習(xí)。當時西安城內(nèi)的武裝力量情況是這樣：蔣系武裝力量共有七千余人，其中主要的是楊鎮(zhèn)亞的中央憲兵二團千余人，市公安局長馬志超指揮的公安總隊二千余人，省保安處長張坤生領(lǐng)導(dǎo)的保安部隊約千余人，公秉藩率領(lǐng)的交警總隊約千余人。十七路軍在西安城內(nèi)的兵力，主要是孔從洲(時任陜西警備二旅旅長、西安城防司令)指揮的三個團，此外還有十七路軍炮兵團、特務(wù)營和教導(dǎo)營，共約八千人。十七路軍部隊分駐在西安的南、西、北城和西關(guān)；東城由東北軍駐防。
12日晨，十七路軍在西安城內(nèi)的行動按事前的分工進行。宋文梅率其特務(wù)營負責(zé)扣押住在西京招待所內(nèi)的南京軍政大員。他接受張、楊命令后，便和特務(wù)營的李錦峰連長和王子中排長率部奔向西京招待所并將其包圍。宋命令李錦峰在外面嚴密監(jiān)視，不準任何人出入招待所；他帶領(lǐng)經(jīng)過挑選的幾十名士兵沖入招待所內(nèi)，迅速解除了那些國民黨軍政大員的武裝，并讓他們到大餐廳集合。經(jīng)過清點，發(fā)現(xiàn)缺少陳誠、萬耀煌和邵元沖。宋文梅命令士兵在招待所內(nèi)嚴密搜索，在大餐廳后面燒火室一個大木箱里找到陳誠，在萬耀煌妻子所住房間的衣柜里找到了萬耀煌。住在招待所樓下南排房的邵元沖，聽到槍聲，不明真相，越墻逃跑，跑到招待所西面公園東側(cè)圍墻時，被流彈擊倒。宋文梅聞訊趕到，邵已不省人事，送入醫(yī)院搶救，不久死亡。
陜西警備二旅五團團長鄭培元，奉命解除城內(nèi)和西郊機場蔣系軍警的武裝。12日拂曉，他抽調(diào)部分兵力警戒南、西、北城，令第一營解除北大街警察局、派出所及火車站護路隊的武裝；令第二營解除警察分局、派出所、憲兵二營營部及鐘樓附近警察第三大隊的武裝；令第三營解除西大街公安分局、派出所和憲兵第五連武裝。十七路軍行動時天剛拂曉，蔣系軍警一般還在酣睡中，十七路軍以迅雷不及掩耳的閃電戰(zhàn)沖入對方營房，第五團大約只用了一個小時就完成了繳械任務(wù)；只有第一營在解除西安火車站護路隊，第二營在解除憲兵第五連和警察第三大隊武裝時，發(fā)生了較為激烈的戰(zhàn)斗，雙方互有一些傷亡。到黎明時，十七路軍在城內(nèi)已控制了火車站、郵電局等要害部門；接管了西郊飛機場，扣留了所有飛行人員和飛機；查封了國民黨各大銀行在西安的支行；還扣押了邵力子、晏道剛、曾擴情，槍斃了中央憲兵二團團長楊鎮(zhèn)亞。
在西安事變爆發(fā)的同時，張學(xué)良還發(fā)動了蘭州事變。當時的甘肅省會蘭州，主要是由東北軍方面控制。以于學(xué)忠為軍長的東北軍五十一軍駐在這里，于當時還任甘肅省政府主席兼川陜甘邊區(qū)剿匪總司令；同時蘭州也駐有中央軍胡宗南部，任甘肅綏靖公署主任的也是蔣的嫡系將領(lǐng)朱紹良。西安事變爆發(fā)前，朱紹良、于學(xué)忠及其五十一軍的三個師長均奉命去西安參加軍事會議，事變爆發(fā)時他們都不在蘭州。12日晨，張、楊在西安指揮扣蔣戰(zhàn)斗的同時，張學(xué)良密電在蘭州的解方(五十一軍中校參謀、抗日同志會成員),令其響應(yīng)西安的行動，在蘭州發(fā)動事變，電文大意是：軍事會議破裂，我與楊主任合作，已將蔣介石及中央軍的諸將領(lǐng)扣押，發(fā)表了八項救國主張；要求解方轉(zhuǎn)達五十一軍：立即在蘭州響應(yīng)西安的行動，發(fā)表聲明擁護八項救國主張，并立即切斷朱紹良的綏靖公署和南京政府的聯(lián)系，把中央嫡系在蘭州的軍隊、黨部、公安部隊一律繳械，將其主要人員看管起來，等等^[1]。同一天，在西安的于學(xué)忠也給五十一軍參謀長劉忠?guī)职l(fā)了內(nèi)容相同的電報。于是，解方通過劉忠?guī)职l(fā)動五十一軍在蘭州采取行動。12日晚7時，五十一軍的三個師分頭開始行動，將胡宗南在蘭州的兩個團繳了械，查抄了綏靖公署、省黨部、公安局在蘭州的特務(wù)機關(guān)，并把他們的頭目集中看管，控制了飛機場，同時發(fā)表聲明，擁護張、楊在西安的行動和八項救國主張。因主持這次行動的是軍、師兩級參謀人員，有人把蘭州事變稱之為“參謀造反”。