秘密调查结束后，国联派李顿调查团来华调查。图为调查团在沈阳
1931年“九一八”事变爆发，日军迅速占领了沈阳。消息传到南京后，国民政府立即训令驻日内瓦代表团，向国际联盟提出制裁日本的要求。国际联盟一方面召开紧急会议并作出决议，要求日军在1931年11月16日前从沈阳撤出，一方面秘密派遣曾任基督教上海青年会干事的“中国通”劳勃-路易斯博士前往沈阳，监督日军撤军情况。
路易斯博士到上海后，立即与在美国结识的、时任励志社总干事的黄仁霖联系。11月9日，黄仁霖陪同路易斯到达南京晋见蒋先生，在得知路易斯此行的目的后，蒋先生遂命对沈阳比较熟悉的黄仁霖一同前往。次日，黄先生和路易斯搭乘“蓝钢皮快车”沿津浦路前往天津，11日下午，他们顺利地到达目的地，随后，黄先生与张学良的弟弟、时任天津市长的张学铭联系，得知张学良此时正在北平，在安顿好路易斯后，黄仁霖随即搭乘张学铭派出的军用飞机飞往北平。
在北平，黄仁霖向张学良通报了此行的目的和任务，张学良派一位孙先生同行，以便照应。从北平到沈阳的快车经过天津时，路易斯博士上了车。13日下午，列车经过山海关到达锦州，“九一八”后，辽宁省会也迁到了这里，此时，日寇的飞机经常袭扰沈阳以外的城市，甚至违背国际公法，扫射屋顶带有明显红十字标识的医院等建筑物，当路易斯博士得知锦州铁路医院遭到日寇飞机的袭击后，提出要去那里看一看。他们在锦州下车后，辽宁省主席臧士毅派副官前来迎接，并陪他们视察了被袭击的铁路医院，在那里，他们询问了袭击的情况，察看并拍摄了袭击现场，与伤者交谈，得到了第一手资料。但他们的举动也引起了潜伏在锦州的日本特务的注意，在黄仁霖一行从锦州继续前行的列车上，他们发现了跟踪的便衣特务。一个小时后，列车到达大凌河车站，此时河的北岸已被日军占领，在这里他们受到了日本兵的严密盘查，所幸他们真实的身份证明留在了南京，黄仁霖谎称自己一行是由基督教上海青年会派遣前往沈阳青年会察看会务，骗过了日本兵。午夜，列车到了皇姑屯，这也是此行的终点了，在富有爱国心的广东籍列车司机梁先生的帮助下，黄仁霖甩掉了跟踪的日本特务，梁先生并用电话通知了沈阳福特汽车装配厂负责人、黄仁霖的朋友美国人梅耶斯先生。第二天早上八点多，黄仁霖一行坐上了前来迎接他们的、悬挂着美国国旗的梅耶斯先生的汽车，顺利地进入了沈阳城。
沈阳城的气氛已经非常紧张，城门口悬挂着十来具尸体和日寇沈阳市长土肥原贤二处死这些所谓“间谍”的布告。由孙先生安排，黄仁霖一行住进了位于美国教会学校校园内的一处住所，住所的主人是国民政府外交部长王正廷的兄弟王廷黼先生，日本人正试图接收他的嘉隆矿业而四处搜捕他，王先生剃掉胡须，换下西装，离开家人，独自住在这里，他们夫妇也是黄仁霖的老朋友了。为了方便工作，王先生为黄仁霖提供了一部电话和一辆汽车，于是，黄仁霖和路易斯博士开始邀请一些熟悉的人秘密来此会谈。
刘广沛，沈阳国货银行的经理，也是黄仁霖在美国底特律福特汽车学校时期的朋友。刘先生受邀来与路易斯晤谈，他把自己所了解的九一八事变以及三年前日本人谋杀张作霖的真实情况告诉了路易斯。
袁金铠，年近80的一位老绅士，满清时代曾做过高官，日本人曾想把他推为伪“满洲国”的傀儡首领，被他拒绝。黄仁霖避开日方的监视，费尽周折把袁老先生请来，与路易斯博士密谈。数月后，有消息说，袁金铠就任伪“满洲国”首领，但不久他就去世了。
在这些密谈中，黄仁霖还邀请了上海米勒斯评论报的主编吉-皮-鲍威尔先生和另外两名外国记者参加，使他们也能了解到事变的真相，向国际社会宣传。
国际联盟要求日寇撤军的期限临近的时候，路易斯乘坐梅耶斯先生那辆悬挂美国国旗的汽车，巡视了整个沈阳城，16日过后，日本人并没有撤军，反而不断增兵，到处设防，并且开来了大队的坦克和机械化部队，路易斯博士注意到了这些事实，他已经有足够的资料编写他的报告了。
