午夜，东北军、西北军展开了联合行动： 张学良的东北军负责前往临潼扣蒋，杨虎城的西北军则负责扣押蒋介石在西安城内的军政大员。一切布置停当后，张学良把这一重要消息告诉了秘书刘鼎，孙铭九则和白凤翔、刘桂五朝临潼进发了。他们所率的东北军士兵，当时并不知道行动的真相，长官们只对士兵们诈称：副司令张学良被扣押在华清池，赶快前去营救，要活捉蒋介石。因为蒋介石扣了张学良，只有扣了蒋介石才能救张学良!
事先摸清的蒋介石卫队兵力是：院内，约80人;院外，禹王庙附近，有宪兵70人左右。王玉瓒率领的一营，负责解决禹王庙的宪兵。孙铭九手下的连长王协一，率50人乘一辆卡车，首先出现在华清池大门前。门卫拦车、开枪了，王协一指挥兵士下车还击，双方激烈枪战。这时，孙铭九的卡车到达，车上也有50多人。在混战中，孙铭九率部冲过大门。
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孙铭九绕过二道门前密集的弹雨，和连长王协一匍匐摸进了五间厅。当他们闯入蒋介石的卧室，吃了一惊：人去房空!环顾四周，桌子上放着蒋介石的军帽、皮包以及假牙，衣架上挂着大衣，孙铭九用手一摸被窝，还是温暖的，这表明蒋介石刚刚出走。床旁的一扇窗开着，说明蒋介石可能由此越窗而逃。刘多荃师长在华清池门口接通了张学良的电话，向他报告蒋介石逃跑的消息。张学良也捏了把汗。就在这时，孙铭九前来报告，说是一名士兵在后山墙下发现一只鞋子，表明蒋介石可能翻过墙头上山去了。 “搜山!”刘多荃下了命令。
东北军沿着骊山西北麓，开始搜山。此时，东北军的士兵们才从长官那里得知，搜山是为了搜蒋介石，并严格规定，绝对不许伤害蒋介石——士兵们终于明白此次行动的真正目的。谁活捉蒋介石，赏钱一万元。士兵们纷纷踊跃搜山。在半山腰，二营八连的班长陈思孝抓住一个蒋介石侍卫。孙铭九闻讯，疾步赶了上去。那侍卫在寒风中哆嗦着，但不肯讲出蒋介石在哪里。事后才知，此人是蒋介石的贴身侍卫、侄儿蒋孝镇。
孙铭九用手枪对着蒋孝镇的脑袋，逼问蒋委员长在哪里。蒋孝镇虽仍不肯讲，但无意朝山上斜乜了一眼。孙铭九敏锐地察觉，就指挥士兵朝他眼睛所瞟的方向追索。没多久，陈思孝在前面大喊：“报告营长，委员长在这里呢!在这里呢!”孙铭九飞步奔去，见到蒋介石从一山洞里出来，正扶着洞口的岩石站着。此时，天色微明。
午夜，东北军、西北军展开了联合行动： 张学良的东北军负责前往临潼扣蒋，杨虎城的西北军则负责扣押蒋介石在西安城内的军政大员。王志屏：双十二事变当天上午，张学良副司令(当时蒋介石亲任西北“剿匪”总司令，任命张学良为副司令——记者注)走进了新城大楼，当时我就在门口站岗。
