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一九二一年七月，石原莞爾奉調回國，擔任陸大教官。一九二二年，被選派赴德留學，主攻戰爭史。留學期間，石原莞爾完善了自己的戰爭思想。一九二五年，學成歸國，石原莞爾繼續任教於陸大。
二十世紀二十年代，石原莞爾撰寫了大量文章和報告，系統梳理和闡發了自己的戰爭觀。這些文章主要包括：《現在及將來的日本國防》、《戰爭史大觀》、《扭轉國運的根本國策——滿蒙問題解決案》、《關東軍領有滿蒙計劃》、《從軍事上看日美戰爭》、《滿蒙問題我見》等。這些文章集中反映了石原莞爾的侵略理論和主張，他提出，“發源於中亞的人類文明分為東西兩支，幾千年來各自發揮其特長和特點，不斷進步，而最近兩三個世紀的發展更是突發猛進。時至今日，這兩個文明已形成隔著太平洋而相互對峙的局面”。這種局面必將導致戰爭，戰爭之後將走向統一，最終“創造最後最高的文明”，使人類文化進入“黃金時代”。這次“人類最後的大戰爭”將是“以日美為中心而進行的世界大戰爭”，將“首先是持久戰爭，然後是決戰戰爭”。因而，他強烈主張，為了使日本在未來的世界大戰中能打好持久戰，並取得決戰的勝利，首先必須占領中國東北，使之成為日本“以戰養戰”的戰略資源供應基地。他的這種侵略思想直接指導了日本關東軍發動九一八事變和展開對中國東北的侵略活動。
石原在任關東軍參謀的石原莞爾與板垣征四郎謀劃如何侵略中國東北，製造九一八事變之後，又促使日本參謀本部和陸軍省同意增兵，在短短四個多月時間裡，侵占了我東三省。一九二八年十月，在關東軍高級參謀河本大作的推薦之下，石原莞爾被調任日本關東軍參謀。石原莞爾覺得找到了自己的“用武之地”，開始推行他所構想的“以戰養戰”侵略中國東北的陰謀。
到關東軍司令部赴任之前，石原莞爾已經仔細閱讀了有關中國東北地理的書籍、地圖，並且同關東軍各部隊軍官談話，深入了解和掌握了東北的情況。當時日本軍部擔心如果侵略中國東北，可能會導致蘇聯方面的干涉而引發日蘇大戰，狡猾的石原莞爾根據自己掌握到的情況，猖狂地認為，日本政府及軍部中央沒有必要擔心與蘇聯的衝突。因為蘇聯的遠東運輸能力薄弱，僅能將一部分兵力用於遠東，倘若日軍進攻外貝加爾以東地區，蘇聯都可能會放棄。
此外，美國在遠東沒有進攻日本的據點，很難攻擊日本，美國海軍在布局上不夠勻稱，日本海軍實質上也不是處於絕對劣勢的。因此，美國的渡洋作戰只不過是空談，至多只能對日本進行經濟封鎖而已。總之，石原莞爾的結論就是，日本可以放心地侵占東北，甚至侵占整個中國。一九二九年七月，石原莞爾推薦他的老朋友“陰謀老手”板垣征四郎任關東軍參謀，從此二人開始共同為霸占中國東北而積極活動。
從一九二九年起，石原莞爾和板垣征四郎先後組織了四次“參謀旅行”，偵察東北地區的地理情況和東北軍的兵力分布情況，為將來發動侵略戰爭做準備。在以“旅行”為名進行的軍事偵察活動中，石原莞爾和板垣征四郎帶領關東軍的作戰參謀，經過實地刺探，形成了諸如“攻擊哈爾濱和防禦海拉爾的問題”，“關於占領地區怎樣統治的問題”，攻打錦州的戰術，“夜襲弓長嶺的現地研究”和“攻打奉天城要領”等詳細的侵略作戰計劃。
在“參謀旅行”中，石原莞爾等人竊取了大量軍事情報，同時也意識到，東北地域遼闊，關東軍不足兩萬人是難以戰勝多達數十萬之眾的東北軍的，因而，常規的軍事入侵方法是無法取勝的。對這樣的“困難”，石原莞爾想出了“由里向外來占領滿洲”的方法。
一九三一年三月四日，石原莞爾主持制訂了《為解決滿蒙問題之作戰計劃大綱》，提出先在瀋陽挑起事端，然後以日本利益受損害為藉口，集中優勢兵力占領瀋陽，再進一步侵占全東北。這一侵略計劃得到關東軍好戰分子的贊成。他們開始以這一計劃為“藍本”，進行軍事入侵的準備。
日本陸軍上層支持關東軍軍事入侵行動的大有人在，為了使石原等人侵占瀋陽的軍事行動能順利成功，參謀本部軍事課課長還專門向關東軍批了兩門二十四厘米口徑的重炮。為了安放這兩門重炮，石原莞爾以修建游泳池為幌子，在駐奉天關東軍獨立守備隊兵營內，挖了一個直徑為三十三英尺，深三十九英寸的炮基座，四周加上圍棚，偽裝成倉庫。這兩門重炮，一門炮口對準奉天東北軍北大營營房，另一門則指向奉天飛機場。除了在關東軍內部進行軍事進攻準備外，石原莞爾也沒忘記做好國內的動員工作，以便獲取軍部內更多人對侵略計劃的了解和支持。一九三一年七月，石原莞爾與板垣征四郎回國，專門在國內兜售《為解決滿蒙問題之作戰計劃大綱》的侵略計劃。經過板垣征四郎的鼓吹，石原莞爾的侵略計劃得到軍部大多數高級將領的贊成和支持，返回關東軍後，二人更加緊推行實施既定的侵略計劃。
八月二十日，石原莞爾向關東軍新任司令官本庄繁匯報了侵略中國東北的計劃，得到本庄繁的認可和默許。九月十五日，關東軍準備擅自行動的消息泄露，內閣施壓，責令參謀本部“制止”關東軍的輕舉妄動。石原莞爾和板垣征四郎得知這一信息後，加緊謀劃事變，準備將原定九月二十八日的行動提前到九月十八日，趕在參謀本部派人來之前，造成既成事實。九月十七日夜，石原莞爾與板垣征四郎在遼陽白塔旅館碰面，決定由石原莞爾在旅順關東軍司令部內進行作戰部署，而板垣征四郎則在奉天實地進行前線指揮。被炸成廢墟的東北軍北大營。