应德田叫到张学良住处金家巷楼下客厅，对他们宣布立即捉蒋。在宣布之前简单地讲述了时局和蒋之不抵抗政策的错误，说明只有联共抗日，才能救国。“11月在洛阳，最近在临潼，我屡次向委员长陈说停止内战，一致抗日的必要，要求他改变政策，做领导全国抗日的领袖，他非但不予考虑，反而表示要将错误坚持到底，对日投降，对内剿共。现在，他竟然还要硬逼我们打内战，彻底打内战；不听他的，他就要把我们调离西北而后加以消灭。我们怎么能听任他的摆布呢？我已经和杨主任商定，实行兵谏，把他抓起来，现在就开始行动，我们一起到新城去。”以新城大楼为指挥部。由缪征流于公馆坐镇。
张到新城大楼后，就与杨虎城一起指挥捉蒋军事行动。同时叫黎天才、卢广绩、高崇长、洪钫、应德田起草八项主张的宣言稿。最后由黎天才将稿拟出，等待十二日捉蒋后，立即发出。
唐君尧、孙铭九、刘桂五等人于12月12日凌晨2时许率部亲到临潼指挥。晨5时，孙铭九率卫队营副商亚东、张万山和连长王协一及卫士五十名冲进华清池。蒋的卫队立即进行抵抗。蒋此时正穿睡衣作床上运动。闻枪声急令人打探。蒋初认为是红军煽动东北军一部所为，非张学良有计划行动。便决定先逃到后山，暂避一时，以图躲过，由侍卫官竺培基、施文彪二人扶着从后门逃走。但后门正锁着，一时无暇开锁，便只好跳墙。翻过墙后，不巧正坠入深沟，蒋摔坏腰椎，疼痛难行，勉强走到一个小庙前，由蒋孝镇背着登山东行，经半小时，攀上东麓山顶，择一平坦地稍事休息。蒋不慎，失足陷入一洞穴，才可容身，又杂草丛生，蒋就趁势躺下，正好藏以观变。此处现修建了兵谏亭，游人如流，颇为拥挤。
孙铭九的冲击，并不顺利，刚到头道门就被蒋的卫队发现，开始枪战，二道门蒋的卫队更早有准备，组织火力网阻击。孙见势不妙，就分兵两路，一路由连长王协一率领，包围禹王庙，将宪兵缴械；一路由孙自己带领强冲击二道门。待冲过二道门进入蒋的卧室时，蒋已逃走。孙见蒋的假牙未带走，被窝仍然温暖，知蒋尚未逃远，急命卫队四处搜寻，未见踪影。这时唐君尧也已赶到蒋的住处。唐在蒋的卧室里发现两封电报，一份是张群打来的，大意是：“欧洲多事，英美无暇东顾。”第二封是对宋哲元的态度尚不清楚。还有一份假想的未来抗战的战斗序列，共分成七个方面军。唐便用电话告知张学良、杨虎城。张、杨听到后，也都十分着急和不安。当张、杨了解到以上室内情况和蒋的汽车未动时，断定蒋未自杀，是逃走了，但也逃不远，一定是翻墙逃到山中去了，便立即命令唐赶快搜山。
首先在山腰上捉到蒋介石的侄子蒋孝镇，孙铭九用枪逼问他：“委员长在哪儿？”蒋孝镇吓得回头向东望一望。8时许，卫队班长陈思孝搜到蒋藏身之洞，有人要向洞开枪，陈制止之。此时蒋怕开枪，乃大声说：我就是蒋委员长。并说：如你把我当俘虏，可把我枪杀，但不得稍加侮辱。陈即大喊一声：“报告团长，委员长在这儿啊！”孙铭九跑过去一看，只见蒋介石上身穿一件古铜色的绸袍，下穿一条白色睡裤，面色苍白，冻得发抖，正从一个山洞里钻出来。蒋于《西安半月记》中则说孙铭九曾向他“跪而泣，连言请委员长下山”。
这时，唐走到蒋近前立正行礼，甚是恭肃。并报告说：“报告蒋委员长！千万不要难过，这次东北军不是闹兵变，也不是暴动或赤化，主要是张副司令要请委员长到西安去主持抗战大计！”蒋介石于大石旁见唐对他执礼甚恭，不由得向唐凝视一阵，接着就轻声问了一句：“你是谁？”唐立即答出番号和名字。蒋氏听罢，一面点头，一面沉思。
唐见蒋冻得发抖，立即请蒋下山。蒋听罢，望了唐一眼，便慢慢地点了一下头，并声音微弱地说了一声“好”！已不见当日威仪了。唐便挽扶着蒋绕道华清池墙外下山，怕蒋看见院内尸体。到了大门口后，就赶紧请蒋上轿车回城，已是上午9时至10时的时辰了。
唐一路上尽量想办法和蒋说话，解释兵谏的目的。但蒋只是点头静听不语，对于是否纯属兵谏，或者有否生命之险，他还未能真正清楚，故对唐的话反应冷淡。
十七路军也于城内依计而行，顺利完成任务。将蒋的随从大员蒋鼎文、朱绍良、陈诚、陈调元、蒋作宾、卫立煌、陈继承、万耀煌等扣押于西京招待所。侍从室主任钱大钧也自华清池押到招待所拘留。蒋秘书萧乃华中弹身亡。宪兵三团团长蒋孝先恶贯满盈于华清池就地处决。十七路军则于城内将宪兵二团团长杨镇亚处决。对此，人心大快！
邵元冲于招待所跳窗外逃，被击毙。蒋百里有事刚到西安，也同被扣押。
捉蒋以后，张学良立即通电全国，提出著名的八大主张，同时向中共中央电告已将蒋介石捉住。于是全国活跃起来，政局呈现动荡局面。
八大主张电报是给国民党中央执行委员会、林森主席、各院部、绥靖主任、各省主席、团体及报馆打的。前面的电文写得激昂慷慨，激动人心。文云：“东北沦亡，时逾五载，国权凌