当时，日莲宗是日本非常盛行的一个佛教教派。石原莞尔受这一教派思想的影响，从陆大毕业后，就加入了日莲宗的佛教团体“国柱会”，成为著名僧人田中智学的忠实信徒。一九二零年四月，石原莞尔被派往驻汉口的侵华日军华中派遣队司令部工作。石原莞尔在汉口工作的一年多时间中，先后考察了中国湖南、四川、南京、上海、杭州等地，积极搜集中国政治、经济和军事方面的各种情报，这些信息为他形成“大陆扩张”的侵略思想奠定了经验基础。他根据观察总结了对付中国军阀的办法，认为“比起武力会战，收买、宣传具有更大的价值”。同时，实地的观察也增强了他侵华的信念，他曾写道，“以列国的干涉对中国实行国际共管”，“其主动者必须是日本”，“可惜现在我们没有这种力量”，如果“在建国精神方面，日本应该有统一世界的大正义”，“这种力量展现出来后，英美的财力和兵力则毫不足惧”。
一九二一年七月，石原莞尔奉调回国，担任陆大教官。一九二二年，被选派赴德留学，主攻战争史。留学期间，石原莞尔完善了自己的战争思想。一九二五年，学成归国，石原莞尔继续任教于陆大。
二十世纪二十年代，石原莞尔撰写了大量文章和报告，系统梳理和阐发了自己的战争观。这些文章主要包括：《现在及将来的日本国防》、《战争史大观》、《扭转国运的根本国策——满蒙问题解决案》、《关东军领有满蒙计划》、《从军事上看日美战争》、《满蒙问题我见》等。这些文章集中反映了石原莞尔的侵略理论和主张，他提出，“发源于中亚的人类文明分为东西两支，几千年来各自发挥其特长和特点，不断进步，而最近两三个世纪的发展更是突发猛进。时至今日，这两个文明已形成隔着太平洋而相互对峙的局面”。这种局面必将导致战争，战争之后将走向统一，最终“创造最后最高的文明”，使人类文化进入“黄金时代”。这次“人类最后的大战争”将是“以日美为中心而进行的世界大战争”，将“首先是持久战争，然后是决战战争”。因而，他强烈主张，为了使日本在未来的世界大战中能打好持久战，并取得决战的胜利，首先必须占领中国东北，使之成为日本“以战养战”的战略资源供应基地。他的这种侵略思想直接指导了日本关东军发动九一八事变和展开对中国东北的侵略活动。
石原在任关东军参谋的石原莞尔与板垣征四郎谋划如何侵略中国东北，制造九一八事变之后，又促使日本参谋本部和陆军省同意增兵，在短短四个多月时间里，侵占了我东三省。一九二八年十月，在关东军高级参谋河本大作的推荐之下，石原莞尔被调任日本关东军参谋。石原莞尔觉得找到了自己的“用武之地”，开始推行他所构想的“以战养战”侵略中国东北的阴谋。
到关东军司令部赴任之前，石原莞尔已经仔细阅读了有关中国东北地理的书籍、地图，并且同关东军各部队军官谈话，深入了解和掌握了东北的情况。当时日本军部担心如果侵略中国东北，可能会导致苏联方面的干涉而引发日苏大战，狡猾的石原莞尔根据自己掌握到的情况，猖狂地认为，日本政府及军部中央没有必要担心与苏联的冲突。因为苏联的远东运输能力薄弱，仅能将一部分兵力用于远东，倘若日军进攻外贝加尔以东地区，苏联都可能会放弃。
此外，美国在远东没有进攻日本的据点，很难攻击日本，美国海军在布局上不够匀称，日本海军实质上也不是处于绝对劣势的。因此，美国的渡洋作战只不过是空谈，至多只能对日本进行经济封锁而已。总之，石原莞尔的结论就是，日本可以放心地侵占东北，甚至侵占整个中国。一九二九年七月，石原莞尔推荐他的老朋友“阴谋老手”板垣征四郎任关东军参谋，从此二人开始共同为霸占中国东北而积极活动。
从一九二九年起，石原莞尔和板垣征四郎先后组织了四次“参谋旅行”，侦察东北地区的地理情况和东北军的兵力分布情况，为将来发动侵略战争做准备。在以“旅行”为名进行的军事侦察活动中，石原莞尔和板垣征四郎带领关东军的作战参谋，经过实地刺探，形成了诸如“攻击哈尔滨和防御海拉尔的问题”，“关于占领地区怎样统治的问题”，攻打锦州的战术，“夜袭弓长岭的现地研究”和“攻打奉天城要领”等详细的侵略作战计划。
在“参谋旅行”中，石原莞尔等人窃取了大量军事情报，同时也意识到，东北地域辽阔，关东军不足两万人是难以战胜多达数十万之众的东北军的，因而，常规的军事入侵方法是无法取胜的。对这样的“困难”，石原莞尔想出了“由里向外来占领满洲”的方法。
一九三一年三月四日，石原莞尔主持制订了《为解决满蒙问题之作战计划大纲》，提出先在沈阳挑起事端，然后以日本利益受损害为借口，集中优势兵力占领沈阳，再进一步侵占全东北。这一侵略计划得到关东军好战分子的赞成。他们开始以这一计划为“蓝本”，进行军事入侵的准备。
日本陆军上层支持关东军军事入侵行动的大有人在，为了使石原等人侵占沈阳的军事行动能顺利成功，参谋本部军事课课长还专门向关东军批了两门二十四厘米口径的重炮。为了安放这两门重炮，石原莞尔以修建游泳池为幌子，在驻奉天关东军独立守备队兵营内，挖了一个直径为三十三英尺，深三十九英寸的炮基座，四周加上围棚，伪装成仓库。这两门重炮，一门炮口对准奉天东北军北大营营房，另一门则指向奉天飞机场。除了在关东军内部进行军事进攻准备外，石原莞尔也没忘记做好国内的动员工作，以便获取军部内更多人对侵略计划的了解和支持。一九三一年七月，石原莞尔与板垣征四郎回国，专门在国内兜售《为解决满蒙问题之作战计划大纲》的侵略计划。经过板垣征四郎的鼓吹，石原莞尔的侵略计划得到军部大多数高级将领的赞成和支持，返回关东军后，二人更加紧推行实施既定的侵略计划。
八月二十日，石原莞尔向关东军新任司令官本庄繁汇报了侵略中国东北的计划，得到本庄繁的认可和默许。九月十五日，关东军准备擅自行动的消息泄露，内阁施压，责令参谋本部“制止”关东军的轻举妄动。石原莞尔和板垣征四郎得知这一信息后，加紧谋划事变，准备将原定九月二十八日的行动提前到九月十八日，赶在参谋本部派人来之前，造成既成事实。九月十七日夜，石原莞尔与板垣征四郎在辽阳白塔旅馆碰面，决定由石原莞尔在旅顺关东军司令部内进行作战部署，而板垣征四郎则在奉天实地进行前线指挥。被炸成废墟的东北军北大营。
九月十八日下午，前来“安抚”的参谋本部第一部部长建川美次到达奉天。板垣征四郎不动声色地在火车站迎接，并为建川美次“安排”好饭店，一向以工作为重的建川少将这次一句公事也没谈即在宾馆休息了。
当晚十时三十分，奉天车站西北方约八百米处的南满铁路柳条湖一段被炸。关东军以此为借口，立即向东北军北大营发起进攻，震惊中外的九一八事变爆发。
已准备就寝的关东军司令本庄繁忽然接到奉天特务机关发来急电，称：“十八日夜十时许，奉天北大营西侧，暴戾的中国兵破坏满铁线路，与我守备队发生冲突。独立守备第二大队已向现场出动。”
本庄繁立即命令参谋长三宅召集石原等各参谋到办公室，召开会议，商讨对策。石原莞尔迫不及待地说：“对敌之不法行为，先发制人，应该刻不容缓地立即命令各部队出动，制敌中枢于死命。”
不过，本庄繁觉得情况尚不明了，所以没有完全接受石原莞尔的意见，而是准备先让兵力集中到据点，以待形势的进一步发展状况，再行决定。石原莞尔对本庄繁的“胆小”行为很不满。这时，奉天发来第二封急电：“岛本大队与北大营部队发生冲突，正在激战中。”战火看来是如石原所愿，越烧越大了，本庄繁考虑到要占据主动权的话，就不能等到国内的命令再行出兵了。于是，本庄繁最终接受了石原莞尔“先发制人”、“制敌中枢于死命”的出兵意见，向各部队发布“全面出击”命令。待命令发布后，本庄繁才让作战参谋向军部中央报告，这其实也是想造成“既成侵略事实”的一种拖延之策。
为了便于前线指挥，关东军司令部于十九日凌晨三十分从旅顺转往奉天。到达奉天后，本庄繁立即听了板垣征四郎的战况汇报。这时他仍未下决心彻底采纳石原莞尔的作战计划，把兵力派到南满以外地区，尤其是向北满进军，他担心会与苏联发生冲突。板垣和石原却翻来覆去地强调，此时正是绝佳的用兵机会。
石原对本庄说：“总之，事变既已发生，如果此时不一举解决满蒙问题，我们将遗恨百年。
……即使向北满进兵，苏联目前也不至于干扰。苏联正竭尽全力整顿国内事务。所以，在此时如不彻底解决满蒙问题，以后再没有指望了。现在正是绝好的机会！”石原更进一步说：“占领整个满洲后，日军立即把治安维持好，然后把满洲从中国分离开来，由满洲民众建立新的政权，作为独立国家，实行王道政治。日本如放弃以往的权益主义，用协和精神行事，民众必将追随而来……为了平定整个满洲，目前希望向中央要求增援三个师团的兵力。或许政府会提到军费等问题，但只要新政权建立起来，用间接税及其他税收，是能解决的。总之，可以靠自给自足。”在石原莞尔的花言巧语之下，一心想“立功建勋”的本庄繁终于被说服，表示同意扩大出兵规模，并向军部要求增派三个师团。
十九日下午五时四十分，关东军以本庄繁名义给陆相和参谋总长拍发了要求增兵的电报。下午六时左右，关东军收到陆相与参谋总长的回电训令。陆相电文：“帝国政府已决定实施不使事态扩大的方针。关东军的行动希据此精神妥善处理。”
参谋总长电文：“对关东军此次行动虽予肯定，但以后行动应本政府方针，希注意不使扩大。”
原本准备前来支援的驻朝鲜日军司令官也来电称：“本职虽再三上报提出建议，但参谋总长禁止派遣增援部队。”
当时，驻朝日军飞机已经起飞，地面部队被限令停止在朝鲜新义州以南地区，准备待命。中央“不扩大”方针的训令和对已经出动的驻朝日军所下的停止行动的命令，使本庄繁及幕僚的情绪大为沮丧。二十日下午，驻朝日军参谋金子中佐秘密前来联络，表示：“若吉林、间岛方面形势不稳，朝鲜军则有所借口，不待中央训令即可越境。所以，今后朝鲜军的动向，完全取决于吉林方面的形势。”石原莞尔当即主张出兵吉林，已不知如何是好的本庄繁采纳了石原莞尔的建议，决定出兵吉林，并立即向驻朝日军司令部发了关东军将出兵吉林的电报。三个小时后，才向陆相和参谋总长发了报告电。很明显，这是先斩后奏。
二十一日中午十二时零二分，关东军收到朝鲜军司令官电报称：“我军已独断决定出动混成第三十九旅团。”石原莞尔得知这一消息后，更加坚定了侵略决心，急不可待地渴望进攻吉林的多门师团的战况。
多门师团轻易就开进了吉林城。当时，吉林省主席张作相在家乡锦州服丧未归，参谋长熙洽代理省长职务，在多门师团长的威逼利诱之下，熙洽宣布吉林省“独立”，与南京政府脱离关系。
继九月二十四日吉林宣布“独立”之后，哈尔滨的张景惠在日本特务机关的策动下，于二十九日发表了哈尔滨特区的“独立”宣言，哈尔滨也成为日寇的控制地。九一八事变后，东北军退守锦州，重组东北政府，准备以锦州为基地，抗击关东军的进攻，锦州因此成为关东军的“眼中之钉”。
由于日本中央军部限制事态范围的命令，关东军无法立即向锦州进攻。不过，石原莞尔一向知道怎样制造借口。十月八日中午，他亲自命令航空参谋冢田少佐，率航空队轰炸了锦州郊区铁路西侧的兵营。当一位参谋吃惊地问他，竟然轰炸了锦州，他却不屑地说：“没有向锦州扔炸弹，是郊外的兵营。”随后又说：“无论怎样软弱的锦州政府，用六七十颗二十公斤重的炸弹，也是炸不垮的。我的想法只不过是借此扫除政府的不扩大方针及国际联盟的干预！”石原莞尔企图扩大侵略，“一举拿下东北”的野心是多么明显！
日本政府企图通过外交手段迫使张学良的东北军撤出关外。但是，日本政府的无理要求被中国政府拒绝。同时关东军在东北不断地扩张，致使两国外交谈判最终破裂，后继内阁因而被迫总辞职。
对此，石原不以为忧，反倒对后继内阁寄予希望。犬养毅就任首相出面组成新内阁，森恪任内阁书记官长，荒木贞夫任陆相。
关东军幕僚们一致认为，不扫除占据锦州的东北军，就不能完全夺取东北。新内阁成立后，石原莞尔等人立即给参谋总长和陆相发电报，提出进攻锦州的重要性。
十二月十五日，被软禁的原奉天省省长臧式毅在石原莞尔、板垣征四郎的威逼利诱之下，宣告奉天省“独立”，并就任“省长”。
十二月十七日，关东军致电陆相和参谋总长，报告进攻锦州计划。当天傍晚，收到了参谋总长的回电，军部将为攻取锦州增援一个混成旅团、一个坦克队、一个榴弹炮大队，于二十六日至二十八日在大连登陆。另外，天津驻屯军也将增派两个大队兵力支援。
十二月二十一日，关东军对锦州发起攻势。但是，在东北军的坚决反击下，直至一九三二年一月，仍未攻下锦州。石原莞尔等人不得不调整作战部署，让刚从朝鲜派来的装备精良的第二十师团接替多门师团。日军在优良装备和兵力之下，于一月三日上午十时，攻进锦州城。
一月下旬，关东军发动对哈尔滨的进攻，二月五日凌晨，攻入哈尔滨。至此，日军基本上控制了奉天、吉林、黑龙江三省。为了巩固日本对东三省的殖民统治，又减轻中国人民的抵抗，石原莞尔等人开始筹划炮制一个傀儡政权。
奉天、吉林、黑龙江三省的“省长”在关东军的支持和威迫下，于一九三二年二月十六日在沈阳召开了所谓的“建国会议”。翌日，宣布成立“东北行政委员会”，并发表所谓的《独立宣言》，公开筹建“满洲国”。
日本侵略者攻入锦州后的得意情形石原莞尔一面在东北炮制“满洲国”政权，一面就“满洲”事宜，专程返回东京，汇报情况，声称：
一、“满蒙”问题的解决，不应只顾眼前的利益，必须考虑到世界形势的演变和东亚的未来而加以妥善处理。
二、为使苏联放弃进攻远东的企图，确立不败之国防，必须从中国开始实现东亚各民族间的真正的大同团结。
三、作为第一步，必须使“满洲国”成为理想之乡。新建立的“满洲国”，既非中国之失地，也不是日本的领土，而是日中两国共同的独立国家，同时也是各民族协和的理想之乡。四、为获取区区权益，想以权势压迫汉民族的