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在全国舆论压力下，张学良1931年12月15日向南京政府提出辞去陆海空军副总司令职务。南京政府照准，改任张为北平绥靖公署主任，坐镇北平。
东三省沦陷后，热河和河北直接处在日本侵略者的刺刀之下。为加强山海关一带的防务，张学良于1932年7月设立临永警备区，任命驻守山海关的第九旅旅长何柱国为警备司令，增派步兵、骑兵各一旅及炮兵、工兵各一营归何指挥，负责守卫临榆、抚宁、昌黎、卢龙、迁安等地。他指示何柱国要凭险据守，防止日军向关内进犯；但要避免与日军接触，以防事态扩大。这种不战不和的方针，反映出此时的张学良既想抗日又不敢单独抗日的矛盾心理。
日本关东军通过发动九一八事变轻易占领东三省，使其实力和地位得以迅速膨胀，这使日本另一支侵华军华北驻屯军极为羡慕和眼馋，急欲仿效，首先要在山海关发难。根据《辛丑条约》规定，日本在山海关南和秦皇岛都驻扎军队。城内虽有两营中国军队驻扎，但受上述条约限制不得设防，构筑工事。1932年1月1日晚，华北驻屯军山海关守备队长河落正次郎发起对山海关的进攻。他原以为中国守军不会抵抗，可是日军进攻开始后，城内中国守军奋起抵抗。何柱国严守不扩大事态方针，战斗打响后，他不派兵支援山海关守军。城内的两营中国军队面对敌人海陆空军的联合进攻，孤立无援，结果除少数人突围外，其余全部壮烈牺牲。1月3日下午，山海关宣告失守。日军攻占山海关，为其进犯热河解除了侧翼威胁。2月21日，日本关东军以锦州为基地，发起对热河的进犯。
当时守卫热河的汤玉麟，是张作霖的老伙伴，郭松龄倒戈反奉失败后，汤被任命为热河省主席。到任几年来，他横征暴敛，大开烟禁，专横跋扈，是个腐败无能的“土皇帝”。伪满洲国成立后，他又同日本勾勾搭搭。张学良有意撤换他，但考虑到他属父辈，于是先征询张作相的意见。张作相劝张学良慎重从事，张学良犹豫不决，没撤换他。汤知道后更为不满。张作相派人前去劝说，汤虽表示守土有责，但他毫无抗日的决心和准备。在九一八后的一年多时间里，热河没有认真修筑防御工事，防御能力十分薄弱。
在日本发起对热河进攻以前，蒋介石于1932年1月25日致电张学良，指出日军侵犯热河，已为期不远，要求张学良“照预定计划，火速布置，勿稍犹豫”，并强调：“今日之事，惟有决战可以挽救民心，虽败犹可图存，否则必为民族千古之罪人。”
蒋在此电中还表示，他已准备6个师的兵力，可随时北上增援，还可接济粮食、弹药。蒋介石的上述许诺是讲给人听的，以表示他主张抵抗日本侵略热河；事实上他的这些诺言并未完全兑现，到日军已发起进攻热河时，他才匆忙令驻守潼关的黄杰第二师，驻徐州、蚌埠的关麟征第二十五师，驻孝感的刘戡第八十三师北上。
2月17日，南京政府行政院代理院长宋子文等与张学良一起到热河省会承德视察，以表示支持热河抗战。宋对热河军民讲了一套空话，说什么你们打到哪里，我宋子文就到哪里，中央誓做你们的后盾。他慷慨激昂地发表完演说，就匆匆返回北平。至于敌我态势、作战方针等这些迫在眉睫的问题，他未做任何说明。
2月21日，10万多关东军和伪满军队分三路向热河展开进攻。同一天，张学良才匆忙做应变部署，成立2个集团军，各辖3个军团。第一集团军由张学良自兼总司令，下辖于学忠的第一军团、商震的第二军团和宋哲元的第三军团，负责防守滦东及至喜峰口长城一线。第二集团军由张作相任总司令，下辖万福麟的第四军团、汤玉麟的第五军团和张作相自兼的第六军团，负责防守热河。
张作相担任第二集团军总司令是在日军进攻热河三天之前才决定的。他临危受命，仓促上阵，指挥不灵。汤玉麟根本不想抗战，其他部队刚刚进入热河，立足未稳，各线兵力还未完全集结。日军进攻一开始，汤玉麟的旅长崔兴五就叛国投敌，把开鲁拱手让给敌人，致使北路日军直袭赤峰。万福麟部战败后不按计划向承德集中，而直奔喜峰口。当热河危难之际，汤玉麟急忙用汽车队和骆驼队运走自己的财产，并于3月3日撤出承德，逃往天津日租界。孙殿英退往察北。张作相空手退回古北口。日军仅用13天时间就占领了热河。
继东三省后，热河又陷入敌手，全国人民悲愤到了极点。除怒斥南京政府外，失土有责的张学良也成为众矢之的，遭到严厉谴责。这些谴责，有的来自社会舆论，更主要的是来自南京和地方的高级官吏。两年前联合阎锡山、冯玉祥反蒋，最终因东北军入关而垮台的汪精卫，如今是南京政府行政院院长。热河沦陷后，他率先挑起谴责张学良的运动。他攻击和挖苦张说：你在以往内战中对自己同胞作战十分勇敢；而如今面对外国强敌，却胆小怯懦。汪要求张辞职下野，以免使平津再步东北和锦州之后尘。阎锡山、冯玉祥、孙科以及广东、西北的军事将领也附和汪的意见，呼吁张下野出洋。
3月7日，张学良引咎辞职。他在给南京政府的电报中说：“自东北沦陷之后，效力行间，妄冀戴罪图功，勉求自赎。讵料热河之变未逾旬日，失地千里，虽有种种原因，酿成恶果，要皆学良一人诚信未孚，指挥不当，以致上负政府督责之殷，下无以对国民付托之重。”张恳请南京当局“速赐命令，准免各职，以示惩儆。”
张同时表示，他要坚持长城一线，并拟亲率东北军反攻热河。他下令缉拿临阵脱逃的汤玉麟。万福麟败退后想回北平，张学良严令他率部反攻，如擅自回来要拿人头见他。
蒋介石决定让张学良做替罪羔羊。3月6日，蒋离开“剿共”前线南昌，经武汉到达石家庄，宋子文陪同前来。在这里，蒋征询何应钦、黄绍竑等对张学良辞职的意见，何、黄均表示赞同，并说张辞职后东北军不会发生问题。蒋听后更加放心，遂于3月7日电邀张学良到保定见面。张学良从北平乘火车于3月9日晨到达保定，他在火车上对随行人员说，此次前来是想同蒋商量反攻热河的计划。若是中央决心抗日，就应对日宣战，动员全国一切力量与日本一拼，他有决心亲临前线指挥对日作战。蒋介石派宋子文先到保定，向张传达蒋同意他辞职的意向。宋形象地说，譬如二人同舟，风浪骤起，必有一人先下水，否则将同遭灭顶之灾。张听后决定代蒋受过，辞职下野。他对宋说，当然我先下水，请蒋不必烦心。蒋介石本人9日下午到达保定，张与宋登上蒋的专车，蒋对张说：现在全国舆论攻击我们二人，我与你是同舟共命，若不先下去一人，难免同遭灭顶之灾。所以我同意你辞职，待机再起。
随后，宋子文与张学良商议张辞职的善后事宜。张要求保留东北军，并建议这20多万东北军改编为4个军：五十一军，于学忠担任军长，下辖5个师；五十三军，万福麟任军长，下辖6个师；五十七军，何柱国任军长，下辖3个师；六十七军，王以哲任军长，下辖3个师。张、宋还商定，于学忠仍任河北省主席，派东北军参谋长鲍文樾担任北平军分会办公厅主任。当日深夜谈完后，宋子文去向蒋复命。蒋因张的辞职保住了他的地位，不得不同意张保留东北军的要求，并答应每月给东北军200万元军饷，其中130万元由南京拨付，另70万由华北解决。
张学良返回北平后，立刻于3月11日宣布辞职。同日发表通电，以自己“易帜”后的经历表白对蒋和南京的一贯忠诚，字里行间流露出他今日辞职并非出于自愿，而是不得已而为之。电文说，他就任以来，“始终以巩固中央，统一中国而为职志，兢兢业业，未尝或渝，即如不顾日本之公开恫吓而易帜，辅导国民党在东北之活动，与夫（民国）十九年秋余奉命入关，拥护中国统一，凡此种种，事实俱在。盖余深信，惟健全政府，然后可以御外侮也。‘九一八’之变发生，余正卧病在平，初以诉诸国联，必主张公道，洎乎日军侵热，余奉命守土，仍率师整旅，与敌周旋，接战以来，将士效命者，颇不乏人，无论事之成败若何，然部下之为国牺牲者，已以万计矣”。通电说：“此次蒋公北来，会商之下，益觉余今日引咎辞职，即所以效命党国，巩固中央之最善办法，故毅然下野，以谢国人。”此时的张学良，对他的部属和官兵深怀眷念和惜别之情，在通电中深情地说：“惟眷念多年袍泽，东北之健儿，孰非国家之将士，十九年奉命率其入关，援助中央，于今国难未已，国土未复，无家可归者数万人，但盼中央俯察彼等劳苦，予以指导，并请社会人士加以援助，彼等为国为乡，皆抱热诚，并熟悉东北情形，倘遇报国之机，加以使用，俾得为收复东北之效命，遂其志愿，免于飘泊，于斯愿矣。”
3月12日，张学良乘飞机离开北平到达上海。在这里，他以惊人的毅力戒除了始于1925年的吸毒恶嗜。4月10日，他在夫人于凤至和赵媞、三个子女及顾问端纳、翻译沈祖同陪同下，从上海搭乘意大利邮轮赴欧洲“考察”。