張學良陪蔣回京後，立中“連環套”，被蔣背信強留下來。張學良1936年12月31日被軍法大審後第二天（1937年元旦），西安人民遊行向蔣介石抗議，楊虎城發表《告民眾書》。在這篇《告民眾書》裏，顯然在張學良被軍法大審的氣氛下，在西安人民的群情憤激下，楊虎城竭力在自製，在力持大體，肯定了西安事變的正確導向，肯定了蔣介石“對於我們的主張完全采納了”，他對蔣自食不咎既往的諾言而軍法大審張學良的事，避開不提，這樣做，顯然是留有餘地，以便善後。
但是，在這種公開的《告民眾書》以外，楊虎城對張學良的處境，並非避開不提，而是據理力爭。他在致電表示“漢公親送委座入都，蹈刑辟而若甘，示大義於天下，果有人心，能不感動！乃竟扣留漢公，縱兵西進”後，又在1月5日致電蔣介石明說：“此間情形，張副司令一日不歸，即西北軍民一日不安。”兩天以後（1月7日），蔣介石回電，雖然保證說稍緩即為張學良“複權”，可是事實上，張學良的公權，卻一連近六十年都沒被恢複。楊虎城等人當年的疑慮，自非無因。這種疑慮的細節，在他們1月5日的“歌電”中，有詳細說明。就在1月5日同一天，國民黨發表黃埔嫡係的顧祝同為西安行營主任，孫蔚如為陝西省政府主席，王樹常為甘肅綏靖主任，楊虎城、於學忠撤職留任。同一天西安各救亡團體舉行聯合大會，要求釋放張學良。到了2月5日，楊虎城等人發表《和平宣言》，再度拆穿國民黨的無信與不識大體。在楊虎城等人“謹此宣言”之後十天（2月15日），國民黨三中全會開會了，楊虎城、於學忠也做了“提議實行改組政府、收容各黨各派人才、停止一切內戰等八項辦法，以求全國一致積極抗敵”的提案，但是三中全會卻決議說：“不問其內容如何，惟既出以叛逆之行為及威脅之方式，顯係托詞造亂，實國法軍紀所不容，應不予置理，以絕效尤。”——國民黨顯然蠻不講理了，“不問其內容如何”，一律要蠻幹到底了。
蔣介石蠻幹的方式是徹底消滅東北軍和西北軍中的十七路軍。東北軍方麵，他告訴東北軍說：你們不要在陝西了，你們到江蘇、安徽北邊去，並把安徽省主席給你們挑。結果東北軍開到了蘇北皖北，除了以於學忠為江蘇綏靖主任外，安徽省主席卻食言而肥了。至於西北軍方麵，他告訴西北軍說：你們也不要在陝西了，你們到甘肅去，並把甘肅省主席給你們挑。雖然如此，把楊虎城趕出國門，卻在所必行。4月27日，楊虎城被迫辭去西安綏靖公署主任及十七路軍總指揮職務，準備離開西安。6月16日，國民黨發布了這樣的命令：
茲派楊虎城為歐美考察軍事專員，此令。
就這樣的，在東北軍“擒賊擒王”之後，西北軍十七路軍也“群龍失首”。楊虎城預定5月27日上午離開西安，消息傳出，西安人民、十七路軍部隊、西安各救國團體、各學校師生，都擁到機場，去送別他，很多人流下眼淚。他到上海後，一些學生們還到終南山麓，采集了許多故鄉花草，分別貼在幾本紀念冊上，寫上熱情的句子，遠道送了給他，表示人民對他的懷念，他們似乎預感到：楊將軍是很難再回來了！
楊虎城是6月29日出國的，出國後第八天，就發生了“盧溝橋事變”。他在11日電宋子文，說：“日寇進迫，國將不國，噩耗傳來，五中痛憤。弟以革命軍人，何忍此時逍遙國外，擬由舊金山返國抗敵，祈轉陳委座。”14日抵舊金山，接宋子文回電說：“以目前情況觀之，請稍緩返國。”不讓他回來。這天他在舊金山發表書麵談話，說：
我是一個革命軍人，一個孫中山先生三民主義強烈的信徒。參加革命已逾二十五年。我完全看透日本帝國主義一貫侵華的來曆和動向。保衛國土是軍人的職責，我一直是堅決抵抗日本侵略者。這次盧溝橋事變，是危及中華民族生死存亡的大問題，我怎能置身事外、流連忘返？即擬兼程回國，請求任務，執行戰鬥，為國效死！