19日，当事变发生的消息传到南京时，蒋介石正在前往南昌督师“剿共”的路上。下午，群龙无首的国民党大员们在戴季陶的主持下，召开了国民党中央执委会商量对策。会后作出两项决定：第一，电请蒋介石速回南京主持大局；第二，根据正式报告，向日方提出抗议，并电告驻外代表向包括国联在内的国际社会宣布事变的真相。从此，国民政府开始走上了试图诉诸国联以期保护中国合法利益的漫长道路。
对于国民政府诉诸国联的意图，后来成立的特种外交委员会主任戴季陶有如下说明：
盖国联虽不可尽恃，亦非尽不可恃，此案发生后，中央所以尽力于使国联负解决此案之责任者，因维持中国在国际上的地位，与减少日本直接压迫中国之力量，途径惟在于此。日本一面声明不接受第三者干涉，而一面仍不敢不接受国联之决定，则知日本对于国联，亦甚顾忌也。
可见，国民政府也预料到国联的作用可能是极有限的，与其说希望国联来保护中国的权益，不如说希望国联来牵制日本，以缓解日本对中国的压力。
国联的总部设在日内瓦，由大会、行政院和常设秘书处等机构组成。秘书处是常设办公机构，而大会只是一个成员国的论坛，其决议没有约束力。国联真正有影响的决定是由行政院作出的。行政院由美、英、法、意、日五个常任理事国（美国没有参加国联，实际上只有四个，德国加入后成为常任理事国），和经大会选出的四个（后来增加到九个）非常任理事国的代表组成。按惯例，行政院的决议一般都必须全体一致通过。民国政府要求国联去向一个常任理事国为自己伸张权益，从一开始似乎就面临着某种类似逻辑悖论的困境。
弱国无外交。在国际社会间尽力折冲，以期利用大国间的利益矛盾为自己挽回些许的损失——这几乎是弱国在受到强国的欺侮时，惟一可走的路线。那时的中国就是这样的弱国。这不禁使众人联想起清朝的李鸿章，甲午战争中国战败后，他也想以夷制夷——借助俄国的力量来制约日本。为达到这一目的，他甚至不惜再向俄国出让一份利益。可是民国政府的大员们不认为自己会像李鸿章那么惨，戴季陶说：
昔时因无国际组织，各国间亦无相互遵守之公约，故对于外国之侵略，只有和战两途；现在世界既有国际组织，有国际公法，则当于和战之外，有正当之第三途径。此非中国不武，而实尊重国际信义者所当然应有之道。
“不武”其实是不抵抗的一个更动听的表述形式。毕竟这时有了国联，它声称自己是以“促进国际合作，保证国际的和平与安全”为宗旨的，况且，中国还新近当选为国联的非常任理事国——国民政府感到诉诸国联尚有一丝希望。
国民党中央执委会召开后的几个小时，国民政府驻国联代表收到了这样一份电报：
现已完全证实，我方毫无挑衅举动，日军公然向我攻击，我方虽绝未抗拒，而彼仍继续向我开火，炮轰我营房及兵工厂，星期六晨六时半，占据沈阳全城及其附近。中国政府请求国际联合会立即有效的依照盟约条款，取适当之措置，使日军退出占领区域，保持东亚和平，中国政府决定服从国际联合会关于此事所为之任何决定。
此时国民政府驻国联的全权代表是施肇基。《国际联盟盟约》第11条规定：如有战争或将有战争发生，国联应采取相宜行动，以保各国安全；秘书长经任何盟员国请示，可立即召开行政院会议处理之。在接到南京方面的指示后，施肇基当即根据该条款要求国联秘书长法国人杜吕蒙提出召开行政院会议的要求。
正当施肇基向国联行政院进行陈述时，日本驻国联代表芳泽谦吉打断了他的发言。只见他拿出一份事先拟好的文件念了起来，日本人有备而来，他所宣读的，就是日本政府就事变发表的声明，其核心内容是声称事变是地区性事件，要求国联不必如此重视。显然，中国代表没有料到日本的这一手。在芳泽念完声明后，施肇基只得用一句“中国保留解决关于此事件的权利”结束了自己的发言。当天晚上，中国代表就事变发表宣言，指出日本应为事变的爆发负完全责任。
芳泽是犬养毅的女婿，是日本有名的外交家。果然，他抓住了中国诉诸国联的核心意图——试图在国际多边框架下解决事变，以期其他列强对日本产生制约作用；而日本的意图是力避第三方的介入，要求由中日双方来解决问题，如此一来，日强中弱的态势对日本是大大的有利。
明确的目的性，使日本与中国在国联的博弈甫一开始，就占据了先机。
国联是设在欧洲的，欧洲人对于这场以国联为戏台而演绎的外交大戏，似乎也看得更明白。19日，德国《柏林指导报》就九一八事件发表评论指出：“不宜把此项事件视为局部问题，此事将使世界忧虑，并将使国联遇一严重工作。”同日，《德意志时报》指出：国联对此事件将“照例”使一般之期待失望，而屈服于既成事实之下。
22日，国联行政院根据施肇基所提要求，就日兵强占满洲事件展开讨论。施肇基详细陈述了日本侵略中国东北的经过，要求国联“仗义执言、出面干涉”，使日军立即停止军事行动，恢复事变前状况，并赔偿一切损失。日本代表芳泽极力为日军侵华辩护，称日军的行动纯属自卫，现已大部分撤回满铁附属地；称日本政府与中国政府一样，也希望事件能早日解决，但为防止事态恶化，反对国联干预，力主两国直接交涉，就地解决。施肇基又发言说在中国领土被日军占领的情况下，中方不能与日方直接交涉。双方辩论激烈，最后，行政院通过英国代表薛西尔的提议，授权大会主席西班牙外长勒乐领导一个由英、法、德、意、西五国组成的委员会，继续处理此事。委员会向中日两国政府发出紧急通知，劝告双方避免事态扩大，并立即由两国协商撤兵。会议还决定派遣委员会前往满洲调查。
23日，五国委员会开会，继续讨论事变处理办法。施肇基提出鉴于日方不承认侵略中国的事实，建议国联派一个调查委员会到中国的东北去，实地看一看情形如何。这一着很厉害，因为即使蛮横无理如日本者也实在没有什么理由反对。五国委员会也赞成此议。形势对日本开始变得不利起来，中国好像要占到先机。
可是日本手中是攥有王牌的，其世界强国的地位和实力，就是他对别人说“不”的利器。24日，日政府训令芳泽答复国联理事会：一、满洲事件系自卫，性质系局部冲突，国联及第三国不容置喙；二、满洲之中日关系有特殊性，国联派遣调查委员，恐反碍两国关系，日政府不能应命。28日，日本外务省就满洲事变善后问题发表声明，宣称将由日本政府根据既定方针办理，绝不容国联或其他国家置喙。看到日本的强硬态度，五国委员会开始退缩了，英国代表第一个站出来，开始赞同由中日双方直接交涉来解决争端。
施肇基毕竟也是有经验的外交家，看到这种形势，于是他再三向五国委员会表示，只要国联规定日军完全撤出新占领区之日期，中国即放弃国联派调查团入满要求。但是，因芳泽坚决反对，理事会未作出日军撤退的具体规定。
30日，国联行政院会议主席提出了一个裁决草案，主要内容如下：
一、重申日本政府所做的“对满洲无任何领土目的”和“随着其臣民的生命财产安全得到切实保证，继续从速将军队撤退至铁路附属地以内，并希望在最短时间内完成”的诺言。
二、重申中国政府所做“在日军继续撤退，中国地方官宪及警察权力恢复时，当负责保护铁路区域以外的日本臣民的生命财产安全”的诺言。
三、重申“两国代表保证各该政府采取一切必要措施，以防止事态扩大和恶化”的声明。
四、呼吁中日两国“为促进两国关系正常化，采取一切手段，从速履行和完成上述保证”。
五、规定将在10月14日在日内瓦再次开会处理此案。
草案出台后，中国方面对其未对日本撤兵的日期作出规定表示遗憾，但还是把草案作为解决事变的初步办法加以接受。日本方面则痛痛快快地表示予以接受。在表决时，草案以14票赞成一致通过。
至此，中日在国联的第一阶段交锋告一段落。中国没有看到国联对侵略者的谴责，但决议中毕竟写着“撤兵”的字样，尽管加上了重重的限定条件。在这场仲裁中，国联不像一位正义的法官，倒更像一位“不偏不倚”的裁判，他“公正”地看着中国与日本这两个不是同一级别的拳手，在拳击台上“自行解决”，把侵略视为出拳进攻，把挨打视为抱头防守，而无论进攻还是防守，都是“规则”允许的。