南京的谈判桌上，日方代表已无话可说。在裕仁天皇的指示下，日方同意从东北撤离关东军，不在东北保留任何形式的日本武装力量，但由于这场阴谋是关东军部分中下级军官擅自行动的（为了顾全颜面和推卸责任，日本政府和日本军方此时也借坡下驴，把责任都推给了关东军，从而撇清自己的责任），因此日本政府不向中国方面进行道歉。谈判接下来的矛盾点是两个：以满铁为代表的日本政府和日本民间在东北的财产归属问题，日本政府向东北政府的赔偿问题。
杨宇霆等东北代表们言词要求东北方面彻底没收包括满铁在内的日本政府和日本民间所有在东北的财产，并要求日本政府向东北政府赔偿5000万银圆的经济损失；重光葵等日方代表们则要求继续保留满铁，至于日本政府向东北政府的赔偿，则顶多是“象征性的赔偿”，不可能赔偿五千万元如此巨款。
双方各执一词、唇枪舌战。
重光葵道：“诸位，我们日本政府和天皇陛下也是爱好和平并希望日中两国和睦相处的，所以事发后，日本政府和天皇陛下都致力于和平解决事端。这次事端是关东军部分中下级军官私自搞出来的，并不是日本政府的责任，因此日本政府自然没有赔偿的义务。为了严惩那些破坏和平、挑起战争的肇事者，日本政府已经决定撤销关东军，严惩相关人员。至于满铁公司，它只是一个商业机构，继续保留在东北并不损害贵方的利益，日满双方在经济上互相提携并进难道不好吗？”
杨宇霆冷笑道：“俗话说打狗也得看主人。关东军是你们日本政府的狗，它现在咬人了，虽然不是你们日本政府命令的，但它毕竟是你们养的狗，自家的狗咬人了，主人哪有不赔钱的道理？至于你们的满铁公司，在东北这些年来一直蚕食东北的交通权，是你们在经济上侵略东北的工具，这一点，我们非常清楚。所以，任凭你们如何巧舌如簧，满铁公司这颗毒瘤，我们也是非铲除不可！如果他们不愿意走，我们不介意用子弹送他们走！”
9月底，为了继续给日本政府施压，张学良向国联调查团请求彻底调查“皇姑屯事件”。为此，东北方面先出示了一批证据和几个证人。首先出示的证据就是三年前英国路透社记者、丹麦人丁格尔暗中交给张学良的一批皇姑屯爆炸后的秘密照片，而证人则是农统局这几年间按照张学良的命令而辗转弄来的。第一个证人叫刘戴明，他供认在三年前，关东军的高级参谋河本大作和日本浪人安达隆盛曾秘密指示他寻找三个吸毒的无业游民，深夜里带到南满铁路附属地内一家名叫“一风吕”的浴室内洗澡换衣并给与好吃好喝和鸦片毒品，最后由关东军士兵将他们带到皇姑屯吊桥下用刺刀杀死并伪装成国民政府的便衣特工，从而把皇姑屯事件的幕后主使嫁祸给国民政府。这三个乞丐分别叫查大明、吴贵生、张文才。查大明半途觉察到日本人居心不轨并趁机逃脱，在张作霖被炸后向奉军报告，指认日本人在假装调查皇姑屯事件真相时所“击毙”的那两个凶手尸体就是自己当天的同伴。刘戴明承认，日本人找他干这件事时曾答应给他20000日元的报酬，但事后却不认账。再仔细想后，刘戴明猛然醒悟，意识到自己极有可能会被日本人灭口，因此主动投案自首，一风吕浴室的主人也出面作证。
当初负责调查此事的辽宁省交涉署日本科科长关庚泽也出面作证，他当天曾委托沈阳兵工厂的两位苏联工程师罗米托夫和达尔尼前往现场勘查研究，认定造成张作霖蓝钢专列爆炸是在桥洞附近埋设的炸药，绝不是日本人声称的“由北伐军便衣队用人力投掷的炸弹造成”。
张学良此时的“旧事重提”并出示的大量证据顿时让日方谈判代表狼狈不堪。种种证据都证明了，皇姑屯事件的罪魁祸首还是关东军。由此可见，关东军想挑起战争已经不是一次两次的了，完全是处心积虑、贼心不死。张学良这也是间接地给日本人发出了一个信号：“我父亲怎么死的，我心里有数，并且那份旧账我还没有跟你们清算。”
9月底，迫于美英等西方列强的压力，再鉴于关东军在战场上的失败和张学良巧妙而强硬的手段，日本政府不得不再次退步，勉强同意把满铁等日本政府和日本民间在东北所拥有的企业资产转交给东北政府，作为日本政府的赔偿，但东北政府只能没收日本民间公司企业和侨民个人在东北的包括土地、房屋、农场、工场、牧场、渔场、探矿权、采矿权等不动产；满铁公司和南满铁路的所有附属地都转交给东北政府，关东州（大连和旅顺）的租借权也归还给东北政府，日本政府废除《朴茨茅斯条约》里俄国转交给日本的在东北的所有特殊权益，正式撤销关东军。
10月1日，东北方面代表杨宇霆、国民政府代表王正廷、日本政府代表重光葵在南京正式签署了《中日关于东北事变的最终处理条约》。同日，东北军释放本庄繁等所有被俘的日本人员，查抄接管日本政府及民间在东北的所有财产，并驱逐东北境内的所有日本人出境。
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