国联决定派调查团后，中日双方在调查团的组成问题上也有斗争。12月10日国联行政院决定调查团由英、美、意、德、法五国各派一名委员。中日双方各自希望对本国同情者参加，这在德国代表人选问题上突出地反映出来。日本坚决反对德国委员希奇尼，希望亲日的藻鲁夫参加。[20]但中国则反对藻鲁夫，希望希奇尼参加。行政院最后决定为希奇尼，其他四国委员是英国李顿、法国克劳德尔、美国麦考埃、意大利阿尔德罗。李顿为团长。

1932年2月3日，李顿调查团离开欧洲，29日抵达日本横滨。此时，日本已占领整个东三省，并于3月l日急忙建立了伪满傀儡政权，抢先造成既成事实，企图迫使调查团承认。于是，调查的焦点就从日军撤兵逐渐转到是否承认伪满政权问题上了。

日本为辩解其侵略行径，事前准备了18种有关资料，做好了对付调查团的各种准备。调查团抵日后，芳泽外相接见时说，此次事变是因国民政府推行革命外交，单方面变更与外国缔结的条约引起的。[21]日本力图以维护列强在华殖民权益来诱导调查团。犬养首相和芳泽外相前后五次与调查团会谈。对此，调查团的态度如何呢？李顿团长借芳泽的数次质问顺水推舟，提出如中国履行中日间条约规定的诸项义务，日本对此满意吗？芳泽不敢回答，因为这一质问包含着排除以伪满洲国来解决事变之意。后来，李顿问芳泽：日本能否接受以“满洲的国际管理”来解决事变。芳泽当即拒绝。李顿说，那么只有建立地方自治政府的方法，除外无他法。[22]李顿的这些谈话，同日本要以承认伪满洲国为前提的方针是公然对立的。这反映了日本同西方列强的关系中相互牵制的一面。对此，日本采取了对抗措施。犬养内阁于3月12日决定：坚决扶助伪满洲国，并把它装扮成似乎是自主行使主权的“独立国家”，争取调查团和国联的承认。

3月14日，李顿调查团抵达上海，南京政府早已做好各项准备，并成立以前外长顾维钧为首的由政府各部门和专家组成的委员会，陪同调查团先后在上海、南京、济南、天津、北平进行调查。中国政府希望调查团能够客观地调查，并公正地制止日本的侵略。但李顿则在中国的欢迎宴会上表示：国联“帮助某一会员国者又必以不损害其他任何会员国为条件”[23]。他要以中日两国的调和、妥协来解决事变。这种调和立场便是国联外交二重性的表现。

国联行政院的决议中曾规定：中日各派一名委员协助调查团调查。日本派驻土耳其大使吉田伊三郎，中国派前外长顾维钧。当李顿调查团结束关内调查，准备进入东三省时，刚刚成立的伪满洲国政府出面拒绝顾入境，扬言如顾经山海关入境将立即强迫他下车，甚至还在暗地里威胁顾的生命安全。其目的是想借此表明它是行使主权的“独立”国家。日本则作为第三国，在伪满和调查团之间进行周旋，以此证明伪满是根据其“自由意志”行使主权的“独立”国家。这种把戏，完全是由日本在幕后导演的。满铁调查部在其《拒绝顾维钧入满洲经过调查书》中毫不掩饰地暴露了这一点。[24]当时任伪满外交部副部长的是日人大桥忠一，他掌管伪满外交大权，左右顾入境。其背后由关东军和日本外务省操纵。

调查团对此坚决表示：中方委员不随同调查，调查团就不去东三省。[25]调查团并把此意告诉了驻北平的日本参赞矢野。矢野却称：“长春政府并不是服从日本政府意见，该政府已发表反对顾入满声明的情况下，阻止它是困难的”[26]，再次证明其“独立性”。此时日本政府假装出面调解，芳泽外相向调查团提出，如想得长春政府的谅解则需较长的时间，调查团的部分成员和顾乘船可从大连进入东北。李顿起初反对这一妥协方案，但最后还是被迫同意。李顿带顾于4月21日经大连抵沈阳，其他成员乘车同时抵达。这是调查团在日本及其操纵的伪政权的压力下开始妥协的第一步。

调查团到东三省前后一度对伪满政权不予理会。这表明了调查团对伪满的态度。伪满政权却以限制调查团在北满和顾在满铁附属地外的调查活动进行报复。谓查团为展开调查，只好经关东军司令官本庄繁联络，于5月上旬，先后访问了伪满外长谢介石、国务总理郑孝胥、执政溥仪。日本军部认为，这是调查团承认新国家“满洲国”的第一步。而调查团也从此不可能无视伪政权的存在，在调查报告中强调了不可能完全恢复“九一八”前的原状。

针对调查团的妥协态度，顾维钧采取了种种牵制措施。顾向李顿提交一份备忘录，指出国联行政院决议中未提及调查团与第三者（指伪满政权）接触之事，并表示他本人不参加与伪政权要人的接触，以此抗议调查团的不正当行为。[27]顾还向调查团揭露了伪政权要人如何背叛民族、投敌卖国的资料，并向调查团提供应该调查和接触的人员名单。调查团抵达哈尔滨后。顾提议与马占山接触，[28]但由于伪满政权的反对和苏联的不协助，未能实现。这里也反映出调查团的二重性态度。调查团一面与伪政权接触，一面又要与反对伪政权的马占山接触。既不完全否定伪政权的存在，又承认反伪政权斗争的存在。当时陪同调查团的伪政府外交部副部长大桥一怒之下回到长春，以示“抗议”。

李顿调查团在调查中，虽然对日本有所让步和妥协，但对待伪满政权的态度基本上是公正的，而且调查到了伪满政权是日本一手制造的事实。中国政府和顾维钧等人也在客观条件允许的情况下尽了应有的努力。

李顿调查团于7月20日回到北平，9月4日完成调查报告，9月20日提交给国联行政院。10月2日，国联行政院公开发表了李顿调查团报告书。报告书共分十章，三大部分，洋洋14万言。

综观这一报告，充满了国联和欧美列强对中国和日本的二重态度。记述“九一八”事变的历史背景时，报告书既承认中国在东三省的主权，又承认日本在该地的特殊权益，说“日本在满洲之权利及权益乃不容漠视之一事实，凡不承认此点或忽视日本与该地历史上关系之解决不能认为满意”，但又指出该权益与中国主权的冲突；并表示“事变前双方抗争，各有是处”，等等。在“九一八”事变的叙述中，该报告虽然未点明日本是侵略者，但又明确地指出：“日本军队未经宣战，将向来毫无疑义属于中国领土之一大部分地区，强夺占领，使其与中国分离并宣布独立，事实俱在。”对伪满政权，报告书虽然肯定了伪满洲国的基础组织治安会，但对伪满洲国持否定态度，“认为‘满洲国’之构成，虽有若干助成分子，但其最有力之两种分子，厥为日本军队之在场及日本文武官之活动，若无此二者，则‘新国’决不能成立也”，“基此理由，现在之政权，不能认为由真正及自然之独立运动所产生”，“所谓‘满洲国政府者’，在当地华人心目中直是日人之工具而已”。

调查书关于解决事变的原则及方法，也同样采取二重性方针：既否定中国希望恢复事变前状态之要求，称“如仅恢复原状，并非解决办法”，又拒绝日本承认伪国的要求，表示“维持及承认满洲之现时组织，亦属同样不适当”。

在此种二重性方针下，该报告提出解决事变的十项原则，其核心就是“满洲自治”。它提出解决东北问题要“适合中日双方之利益”，又提出要“承认日本在满洲之利益”。具体作法便是“满洲自治”：“满洲政府应加以变更，俾其在中国主权及行政完整之范围内获得高度之自治权以适应该三省地方情形与特性。”“满洲之内部秩序，应以有效的地方宪警维持之；至对于外来侵略之保障。则须将宪警以外之军队，悉数撤退，并须由关系各国，订立互不侵犯条约。”[29]

从“满洲自治案”中，不难看出欧美列强借机渗透东三省的企图。这表现在：规定由外国教官协助组织特别宪警；对自治政府行政长官配相当数额的外国顾问，外国顾问指导该长官的工作；行政长官定一名外国人为东三省中央银行总顾问。[30]这样的自治政府是外国顾问监督下的政府。

对李顿调查团的报告，南京政府采取了既有肯定又有否定的二重性态度。蒋介石表示，该调查团报告的前八章的叙述是公正的，可以接受。但认为第九、十两章内容完全是注重日方的要求，必须修改。作为解决东三省问题的原则，中国坚持恢复“九一八”事变前的原状。[31]

南京政府外交委员会审议调查报告后，于10月20日对驻国联代表作了指示：对第九章中十项解决原则中第一、二、三、四、九、十等项未表示异议；对其他几项有条件地加以承认，如对第四项表示“承认日本在东三省之正当利益”；对第五项《建立中日间之新条约关系》附加了“必须在不损害中国主权及领土行政完整原则之下”。但对有关“满洲自治”的第七、八项表示反对，并提出了根本性的修改意见。对第七项则提出：“中国可向国际联合会声明当积极励行东三省行政之改善，此项计划当包含逐渐设立人民代表机关，实行中央地方均权制度，并予地方政府以宽大之自治范围Self Government。”[32]可见，南京政府对“满洲自治”，原则上反对，而提出中国自主地实行自治的方案，力争排除外来侵略和干涉。外交委员会还提出以下两点原则：“（1）日本因违约侵略。所得结果当然不能加以承认，更不能使被侵略者受其损害。（2）国际联合会行政院及大会关于日本撤兵决议案，继续有效，并不因报告书而变更。故日本撤兵义务及不能在武力压迫下谈判之原则继续存在。所有日本撤兵之期限，应提前详确规定。”[33]

蒋介石和外交委员会对调查报告的态度，表明了他们解决“九一八”事变和东三省问题的基本方针，在反对侵略、日军撤兵、不承认伪政权的原则下，接受对中国有利的部分，对偏袒日本，甚至侵犯中国主权的内容则反对。这便是南京政府对国联和调查报告的二重性政策。这说明，南京政府不是盲目地依赖和听命于国联，而是采取了有分析、有分寸地接受李顿调查报告的外交方针。

日本对李顿调查团的报告取何种态度呢？日本外务省针对调查报告起草了《帝国政府对国际联盟中国调查委员会报告的意见书》，极力为日本挑起的事变和一手扶植的伪满洲国进行辩解。日本对东三省自治也表示反对，因为自治的前提是否定伪满洲国。至于对承认和保证日本在满蒙的既得权益部分则表示赞同，反对恢复东北原状。从总体上讲，日本对国联的调查报告反对的部分占主导地位。日本准备不接受这一报告书。对日本的态度，中国亦有所预料。蒋介石曾判断：列强如不对日实行经济或武力制裁，或日本国内不发生对军队不利的重大变化，日本则不会承诺该报告。目前尚无此种假设的可能性。因此，中方怎样让步对解决事变也不起作用。故不准备更多的让步。[34]蒋的这一分析是正确的。