帝国主义列强的最后通牒，激起了北京群众的极大愤慨。在最后通牒发出的当天，中共北京地委在北京大学三院召集紧急会议，李大钊号召发动各界群众，坚决与帝国主义和北洋军阀进行斗争。当晚，他与国民党北京特别市党部组织部长陈毅召集教育宣传委员会会议，决定在18日八国通牒满期之前，举行群众大示威，督促政府驳回通牒，并发起召开各团体联席会议。17日，国民党北京特别市党部发表《反对八国通牒通告》和《告民众书》，同时通知全体党员动员起来，与帝国主义作斗争，由各区分部组织演讲队，在全城举行废除辛丑条约的讲演。随后就组织了80多个演讲队上街讲演。同日下午，国民党北京特别市党部、广东外交代表团、北京学生总会、北京总工会等200多个团体代表在北京大学三院召开了联席会议。会议通过了即日严重驳复通牒；不许日舰带奉舰入口；驱逐八国公使出京等项，并决定于18日在天安门开国民大会，推举李大钊、徐谦等人及学生总会、总工会、总商会代表共13人组成大会主席团。各团体联席会议散会后，部分代表由安体诚、王一飞和陈毅分别率领分赴外交部和国务院请愿。赴国务院请愿的100多人遭到执政府卫队殴击，重伤6人，轻伤数十人。
18日晨，中共北方区委在李大钊主持下举行会议，对大会的布置、口号、标语和游行路线均作了布置。上午10时，国民党北京特别市党部、北京学生总会、北京总工会、广东外交代表团等140余团体和北大、清华等80余校大中小学学生共3万余人，在天安门举行反对八国通牒国民示威大会。会上徐谦、顾孟余演说，并通过了通电全国民众一致反对八国通牒，通电全世界被压迫民众一致反对八国政府进攻中国，督促北京政府严重驳复八国通牒，驱逐署名最后通牒之八国公使出境，宣布辛丑条约无效，驳复八国通牒最后之要求，严惩昨日执政府卫队殴伤各团体代表之祸首，电勉国民军为反帝国主义而战等八项议决案。
会后举行示威游行。在李大钊、赵世炎、王一飞、陈延年、陈毅等率领下，向铁狮子胡同国务院进发，于下午1时许到达国务院门前。此时国务院门前场上军警林立，戒备森严。群众代表丁惟汾、安体诚等5人进入国务院交涉，未见到负责人，即出来向群众报告。群众要求去吉兆胡同找段祺瑞。队伍尚未出发，卫队即向群众开枪，群众奔避，卫队追击，死46人，重伤155人，轻伤不计其数，造成空前的大惨案。3月18日成为“民国以来最黑暗的一天”。
惨案发生后，段祺瑞、贾德耀等人推卸罪责，反诬群众领袖制造事端。19日，段政府发出通缉令，诬指徐谦、李大钊等人“假借共产学说，啸聚群众，屡肇事端”，本日“率暴徒数百人，闯袭国务院，泼灌火油，抛掷炸弹，手枪木棍，丛击军警”。这一派谎言遭到各界人民的痛斥。即使是京师地方检察厅经过调查也不得不承认：“此次集会请愿宗旨尚属正当，又无不正侵害行为，而卫队官兵遽行枪击，死伤多人”。可见“墨写的谎言，决掩不住血写的事实”。
这次惨案又一次暴露了段祺瑞的帝国主义走狗的狰狞面目，同时也让人们看到了国民军将领兼代京畿警卫总司令李鸣钟等人的向右摇摆。驻北京的国民军在惨案发生之前表示“不介入”，没有采取保护群众防止惨案发生的措施，惨案发生后，没有公开谴责段祺瑞的罪行，反而采取限制、压迫群众革命活动的措施，宣布戒严，不许群众再行集会，实行全市大搜捕，并派警察监视、搜查国民党北京执行部。
惨案发生的当晚，中共北方区委和北京地委举行联席会议，议决一定要把斗争进行到底，并决定次日北京各校一律停课，召开追悼会，慰问受伤同学和死难者家属。与此同时，北京学生总会、北京总工会、国民党北京特别市党部等150多个团体代表在北京大学一院举行联席会议，组成北京惨案后援会，负责惨案善后事宜，由陈毅负总责。3月20日，中共中央发表《为段祺瑞屠杀人民告全国民众》书，号召全国人民急起联合起来，发动一个比“五卅”运动更伟大的运动，以达到打倒段祺瑞，肃清一切卖国军阀，取消辛丑条约等目的。为此“应集中于广州国民政府革命旗帜之下，助成他的北伐使命，同时亦不惜以重大牺牲实际援助冯玉祥所领导的国民军”。同时，国民党发表了《对北京惨案宣言》，国民政府也发表了《对时局宣言》，谴责段祺瑞的暴行，声援人民的斗争。
23日，北京200多个团体，1万多人在北京大学操场隆重举行三月十八日殉难烈士国民追悼大会，公推国民党北京特别市党部代表陈毅为主席，邵飘萍、王一飞相继讲话。大会通电全国定3月18日为废约纪念节。此后，北京学生总会派代表分赴各地宣传惨案真相，唤起人民声讨军阀。
3月下旬，天津、上海、广州先后举行了声讨式追悼大会。江苏、浙江、安徽、山东、湖北、湖南、广西、云南等省一些大中城市民众及东京留学生也相继举行了追悼大会。各地民众团体纷纷发表宣言或通电谴责段政府，声援北京人民的斗争。
“三·一八”示威请愿是中国共产党领导的又一次伟大的反帝反军阀的爱国运动。这次运动充分显示了中国人民的反帝爱国精神，使帝国主义列强不得不放弃最后通牒的手段而采取妥协的办法，使八国联军进攻中国的历史未能重演。这次运动虽然遭到了残酷的镇压以致北方革命运动暂时低落，但是烈士的鲜血没有白流，它使广大人民受到了教育，认识到“血债必须用同物偿还”，必须“立即起来，团结、武装和革命”。
