1936年12月12日，西安行动得手后，张学良总部急电兰州，告知扣蒋成功，命令五十一军立即解除兰州绥靖公署、中央军各部及省会政军首脑，切断兰州与国民党中央的联系。
1936年12月4时，在兰州水北门一带驻防的东北军首先向黄河北岸来城里的中央军某连开了火。在城内的东北军第一一三师及特务营先后包围了朱绍良的办公地---西北绥靖公署、公安局、军总督警察处、中央军第二十四师留守处等机关。
为防止意外情况发生，在统一行动开始前，先扣押军统特务分子、甘肃省会警察局长史铭。而后，为团结和中立地方势力，周从政电话告知新一军军长邓宝珊，假称兰州与外电讯联系中断，为防不测，五十一军将在当晚派部队通夜巡逻，请新一军各部岗哨退避，以免误会而冲突。
晚上8时，五十一军军部，就是今天的省政府后院里，大开宴席，绥靖公署首脑及各处处长，因朱绍良到西安开会未归，绥靖官员由参谋长章亮琛率领赴会，正当酒酣耳热之际，忽然冲出一列全负武装的士兵将国民党兰州绥靖公署参谋长张亮深等高级官员全部扣押。
与此同时，城内枪声四起，以一一三师为主力的各部在师参谋长窦光殿的指挥下分头直扑预定目标。在激烈的交锋后，绥靖公署被东北占领，击毙了绥署监印官、副官、卫士队长等数十人；解方率队冲入朱绍良的办公室，缴获电台及许多重要文件。对甘肃军警督察处、省会公安局及各分局、中央军第八师留守处、二十四师留守处、交通兵二团、监察使公署等到处的军事行动进展顺利，未遇激烈抵抗。但东教场和飞机场战斗较为激烈，冲突中中央军徐、蔡二团长被除数打死，东北军也有数十人伤亡。
在军事行动的同时，五十一军派出部队分头占领了电报局、邮政局、中央银行、农民银行、无线电台、民国日报社等要害部门，予以监视和戒备。
至13日凌晨，城内枪声逐渐停止，军事行动顺利完成。在行动中扣留了绥靖公署参谋长章亮琛、秘书长翁燕翼、总参议张春浦、交通处长李蕴华、军官处长何晓宣、副官长拜伟、军警督察处长兼新一军参谋长张性白、甘肃国民军训会主任、特务头子胡维藩及省会主任公安局长史铭等一干人员。事变中，西北绥靖公署卫士队长高凤梧、军需处长王式辉、参谋杨陟岗、监印官柳长庚、副官蒋青、特务长周元等人被打死，俘虏一千二百多人，中央军系统在兰州部队及特务武装全部缴械，仅在绥靖公署就缴获手枪七百余支，步枪数百支。兰州国民党报刊被勒令停刊，绥靖主任朱绍良则在西安被张学良扣留。
军事行动结束后，五十一军立即通电全国，响应张、杨“八项主张”，并以省政府主席于学忠的名义在市内张贴布告，解释原委，安定民心。
13日上午，枪声刚刚停止，省政府即举行紧急会议。会上周从政宣读了张、杨通电，介绍了西安情况；刘忠干介绍了兰州行动经过。与会者虽感震惊，但对张、杨“停止内战，一致抗日”的举动表示了一定程度的理解。
13日15时，周从政以省政府名义召集中央在兰单位负责人开会，中央银行、农民银行、邮政局、电报局、无线电台、盐务局等机关负责人到会。会议要求安定秩序，各单位收入暂时封存，不准向中央报解。与会者表示愿按照省政府要求去办。
14日上午，省政府又邀请地方绅士、社会名流水梓、裴建准、杨思、邓春膏、王延翰等到二十余人及马步芳、马步青、鲁大昌、杨子恒等部驻兰办事处处长进行座谈，多数人表示赞成“停止内战，一致抗日”。
事变发生和第4天，于学忠乘张学良座机返回兰州，进一步稳定了兰州形势。此后，于学忠频繁往返于西安、兰州之间，一面参与西安事宜，一面处理兰州工作。
1936年12月25日，五十一军忽接西安总部电报，称蒋介石已全部答应张、杨条件，已由张学良亲自护送蒋介石返回南京。第二天，飞机从西安送来张学良亲笔信的影印件，要求东北军各部队服从杨虎城、于学忠的指挥，“团结一致、共济艰危”。
张学良将军不顾个人安危，亲送蒋介石返南京的行动，引起五十一军和兰州各界人士的震动和担忧，以为这是一件“奇事”，一致盼望能够出现“内战中止，一致抗日”的新局面。
1936年12月26日，由周从政出面召集省府会议，报告蒋介石已答应张、杨条件，“兵谏”目的已达。鉴于西安事变已和平解决，会议决定释放被扣人员（惟史铭暂不恢复职务），发还收集的武器装备，中央驻兰各单位恢复常态。至此“兰州事变”结束。
1937年2月，蒋介石以处理东北军善后为名，召集东北军高级将领到南京开会，逼迫东北军主力分置各地。于学忠被免去甘肃省主席的职务，调任江苏淮阴绥靖公署主任，五十一军即于3月间陆续东调离开甘肃。
