1912年2月29日晚8时，驻扎在朝阳门外东岳庙的北洋陆军第三镇第九标炮营，以索饷为名突然哗变。士兵们身着灰棉军装，手提步枪，从驻地一拥而出，沿街大呼小叫，举枪朝天乱射。朝阳门外许多饭馆、果摊，转眼之间被乱兵抢掠一空。驻禄米仓的辎重营及帅府园、煤渣胡同和东城土地庙所驻各军群起响应，分路四出纵火抢劫。凡金银钱铺首饰店、饭馆及洋杂货铺全遭洗劫，东城及前门外一带大火彻夜不绝。北京城充满了恐怖气氛，百姓惨遭涂炭。
这次兵变，大大出乎南京方面和迎袁专使团的意料，也使袁世凯南下就职问题急转直下，并最终成为历史发展的关节点，一定程度改变了历史进程。
在一片纷乱中，迎袁专使团所寓居的法政学堂成为主要攻击目标之一。持枪士兵气势汹汹，破门而入，将行李文件等抢夺一空。蔡元培等专使未及穿鞋，仓皇从后院越墙逃出，在一美国人住宅中暂避一夜，次日清晨赶紧转移到东交民巷使馆区的六国饭店。
兵变像瘟疫一样迅速蔓延到了保定和天津地区。3月1日，驻保定的北洋陆军第二镇突然一哄而起，将城门烧毁后，到处劫掠纵火，附近的州县均未幸免，城内百姓纷纷出逃，兵燹造成的损失难以估计。3月2日晚，北京的2000名乱兵陆续潜入天津，开始肆无忌惮地砸抢各商行，掳掠钱财。晚10时，天津镇守使张怀芝所部巡防营加入，使变乱达到高潮。
3月1日下午4时，袁世凯召集北京高级军政首长会议，决定立即采取行动制止乱事蔓延，除照章补发各军应领之欠饷外，同时令毅军宣布戒严，随时缉捕变乱兵士。毅军统领姜桂题奉令后，亲率卫队四处弹压，遇见乱兵任意抢劫者，立即格杀；同时搜捕了很多拾取变兵丢弃衣物的贫苦百姓，诬指为土匪，并将这些无辜贫民抓到天桥处死。北京城内兵乱逐渐得到平息。
有着数百年繁华历史的北京城，在兵变之后变成萧条残破的瓦砾之场，疮痍满目。九城商铺有的被焚，片瓦无存；有的被抢劫一空。街道上只有巡逻的兵士和站岗的警察，弃置的死尸随处可见。穷民嗷嗷待哺，有钱人以加倍的金钱也买不到食物。警厅颁令6点后禁止行人，8点钟后交通即停顿，入夜路灯不明。整个北京城陷入了黑暗世界。
据统计，北京内城被劫4000余家，外城被劫600余家，商民损失达数千万。
兵变期间，民间团体以红十字会为首，集议商讨救济事项，不遗余力地救死扶伤。
兵变发生后，列强公使团紧急集会，当即决定派军队在北京城内巡逻示威。3月2日，唐绍仪致函英驻华公使朱尔典，发出请其设法保护北京的请求。3月3日，英军1000人，美、法、德、日各200人到北京。3月5日，日、俄军各千人，德军百人，分别自旅顺、哈尔滨、青岛等地开往天津。各国因兵变调入北京的军队不下4000人。列强的军事压力使北京陷入极其严重的外交危机，不仅北京城内人心浮动，整个中国北方的局势也因之空前紧张，似乎内忧外患接踵而至了。
北京百姓对这场突如其来的变乱痛心疾首，民心思定，进一步强化了“袁世凯不能离京”的社会舆论；北京、天津、保定等地的商务总会、议事会，以及顺直谘议局，都群起攻击南京临时政府执意定都南京激起兵变；北方各省督抚纷纷通电反对袁世凯南下就职。外国报刊接连刊发专电，攻击孙中山坚持要求袁南下就职召来兵变之祸。反对袁世凯南下的论调一时甚嚣尘上。
中外反动势力借北京兵变，演出了胁迫革命党人再度退让的双簧戏。一部分革命党人难辨乱源，对孙中山迫袁南下的主张发生动摇。革命营垒中本就不乏妥协势力，他们指责孙中山等人执意定都南京，实为不顾“国家安危”。
兵变发生后，袁世凯亲自来到专使团驻地表示歉意，并以万般无奈的语气提出，为维持北方秩序，他暂留北京6个月，先请黎元洪到南京任副总统，并代行总统职权。
身处北京的迎袁专使团，亲身经历了这场兵变，惊恐无措；列强的态度更使他们忧虑。经过紧急磋商后，专使团致电南京临时政府和参议院，要求同意“确定临时政府之地点为北京”和“袁不必南行”的要求，以避免招致内忧外患 。
在南京临时政府派出专使团迎袁南下就职的节骨眼上，北京兵变的发生颇不寻常。作为最大的受益者，袁世凯自然极力否认此次兵变具有任何政治背景。但兵变中却不乏令人怀疑之处。
兵变的主要力量，是袁世凯最亲信的北洋第三镇曹锟的军队。该军原屯扎奉天，清帝退位时，袁世凯檄调入京护卫。
兵变发生当晚，掌管警政的赵秉钧在当晚传令全城巡警一律撤岗，不得干涉，以至于不少巡警自己都参与了抢劫活动。
而且，此次兵变迅速平息后，高呼反对袁世凯总统南下口号的兵变军队及指挥官事后无一受到惩处。
这些都显得十分蹊跷。不少史家认为，北京兵变是袁世凯自导自演的一出戏，通过制造北方动荡局势，以达到建都北京、拒绝南下就职的政治目的。后来担任国务总理的唐绍仪就明确表示，此次兵变应为袁世凯所指使。
但是，也有回忆证明，兵变发生的当晚，袁世凯正藏身于石大人胡同的外交部大楼，极为狼狈地应付着兵变，卫队且为他作好了随时动身避难的准备。
另据熟知北洋内幕的张国淦回忆，袁世凯的长子袁克定是此次兵变的主谋。
综观各方史料，或许可以推断：北洋军中的部分军官，包括袁克定在内，利用这一时期裁兵裁饷、袁世凯即将南行的导火线，点燃了这次兵变。而袁世凯虽未亲自策划这一场兵变，但他在事变之后敏锐地抓住了这个机会，达到踞守北京、拒绝南下的目的。
北京兵变对于南北定都之争形势逆转发生了决定性影响，从而深刻地影响到此后政治的走向。此次兵变，使生灵涂炭，在中华民国的初期历史涂抹了极不光彩的一笔。
而且，北京兵变以军人干政，给中华民国的政治带来极大的负面影响。此后的北洋政府时期，兵变几乎成为家常便饭，骄兵悍将肆意妄为，政府权威形同虚设，军阀混战也就不可避免了。