刘多荃1936年12月4日，蒋介石带领他的一些文臣武将来到了西安，他此行的目的是督促张学良、杨虎城出兵进攻红军。但由于前一时期东北军与红军交战失利，再加上中国共产党抗日民族统一战线政策影响，东北军和西北军的广大官兵都不愿意和红军打内战了，都一致要求，停止内战，共同抗日。
蒋介石到西安后并没有住在西安城内，而是住在临潼的华清池。12月7日下午，张学良来到了蒋介石的住处华清池，声泪俱下地劝说蒋介石停止内战、一致抗日。但却遭到蒋介石厉声训斥。接着，杨虎城又去劝说，也遭到蒋介石拒绝。12月11日，张学良又作最后一次劝告，仍被蒋介石拒绝了。张、杨两人见劝蒋抗日不成，于是商议，用武力囚蒋，逼他抗日。
事变前，张学良的东北军与杨虎城的十七路军进行了分工，杨虎城的部队负责消灭西安城内的中央军，具体由西北军的赵寿山和警二旅旅长兼西安城防司令孔从洲执行；张学良的部队负责去临潼捉蒋，具体由东北军的刘多荃师长指挥。并决定，两军同时行动，部队务必于12日凌晨3时部署完毕，5时开始行动，8时以前解决战斗，10时恢复城内外正常的交通秩序和社会秩序。
东北军方面参与这次行动的有：担负全面指挥的刘多荃，一0五师二旅旅长唐君尧，骑六师师长白凤翔、团长刘桂五，张学良的卫队第二营营长孙铭九及第七连连长张万山和全连官兵。另外还有负责外围指挥的一二九师师长周福成，这是为了防止蒋的卫队突围，并在必要时支援内线。
行动前，刘多荃根据张学良的意图向参加行动的高一级的指挥员交代：“兵谏的目的，是逼蒋抗日，只能把人扣押起来，不准伤害蒋介石。”但参加行动的东北军士兵，当时并不知道行动的真相，指挥官们对士兵们诈称：副司令张学良被扣押在华清池，赶快前去营救，要活捉蒋介石。因为蒋介石扣了张学良，只有扣了蒋介石才能救张学良!
12月12日凌晨5时左右，在刘多荃的指挥下，唐君尧和孙铭九等人率卫队营开向华清池。白凤翔、刘桂五弹不虚发，将守卫在大门的宪兵打得所剩无几。卫队营的士兵们越墙而过，将大门拉开，孙铭九率第七连的士兵冲进华清池的前院。经过一阵激烈的战斗，蒋介石的卫队被打垮。已睡下的蒋介石被枪声惊醒后，以为是红军打进来了，吓得浑身发抖，披着睡衣，拖着鞋就往外跑。当时前院枪声正紧，他急忙向后门跑去，门锁打不开，在侍卫帮扶下，他爬上墙头，不料，心中一慌跌到墙外七八尺深的乱石沟里。嵴骨摔伤了，手脚划破了，鞋子也丢了一只。他跌跌撞撞爬上山，在一块大岩石旁的小洞里藏了起来。
院内的战斗全部停止后（大约是清晨6时），唐君尧迈开大步朝着蒋的卧室走去。才到门口，孙铭九便向他报告：“委员长不在屋里，已经走了。但我摸了他的被窝，还有温热，估计蒋不会跑远。”唐君尧命令孙铭九立即搜寻，并顺手捡起散乱在桌上的纸张和小册子一看，都是蒋拟的电稿、密码本以及日记等等。他把这些文件包起来，走到前院，找到了刘多荃，把蒋不在卧室，他已派兵四处搜索等情况向刘做了报告。
刘多荃说：“我已将这情况报告了副司令。他命令我们：‘必须赶快找到委员长，不准有一点差错。’同时，我已经和周全五(周福成)通电话，他说外围警戒线没有一个人通过。这足以证明，蒋还在大包围圈以内隐藏着，不会走远。”
孙铭九带人四处搜索，最后终于在宾馆后山上的小洞里找到了在寒冷中缩成一团的蒋介石。
值得一提的是，在这次行动中，蒋介石的族侄，国民党宪兵第三团团长蒋孝先死于非命。12月12日凌晨，蒋孝先搓完麻将从西安驱车返回临潼，车行中途，遇第二批赶往临潼抓蒋的东北军拦住盘问。蒋孝先不知发生兵谏，仍按惯常耀武扬威地自报官职姓名。他曾任北平宪兵团长，在北平仗势欺人、作恶多端。东北军官兵一听是“蒋孝先”，立即就把他押往临潼交给刘多荃。刘多荃当即就下令将他就地枪决。
与此同时，西北军在孔从洲、宋文梅、王劲哉等人的带领下，分别包围了国民党嫡系部队在西安的驻军和中央大员住处西京招待所。经过一阵激战，国民党嫡系部队七千余人全部缴械。西京招待所的中央文武大员卫立煌、陈诚、蒋鼎文、钱大钧等全部被扣留。其中邵元冲在逃窜时，被流弹射伤，流血过多而死。最狼狈的是陈诚上将，躲在秽物箱里也被搜出。
上午10时，孙铭九等人连拖带架把蒋介石塞进了汽车，押送到张学良的指挥部。捉蒋后，张、杨立即通电全国，提出了抗日救国的八项主张。当天他们就打电报给中共中央，邀请中共派代表团去西安，共商处理西安事变和抗日救国大计。
在中共和多方人士的共同努力下，西安事变得以和平解决。不料，张学良送蒋介石回到南京后被扣留。为救回张学良，东北军内部出现了两派：一派主张对南京使用武力，一派主张通过和平谈判解决。主战派和主和派矛盾十分尖锐，1937年2月2日，以孙铭久为首的少壮派突然下手，杀害了东北军的高级将领主和派王以哲等人，并坚持不让东北军撤出西安，还准备对抗陈诚率领的中央军进驻西安。
此时，东北军刘多荃部已按照和议撤到渭南防地。惨杀事件发生后，刘多荃师长在渭南和高崇民等人紧急研究对策。于是刘多荃立即命令他的一个团到临潼，向西安作攻势。这一招果然有效，孙铭久等人遵令离开西安，市内秩序旋即恢复。在2日晚10时左右，中央军樊嵩甫部，竟乘隙进军，想发动袭击，刘多荃打电话质问顾祝同，是否要打？打，我们就打。顾说他不知道此事，答应即行制止，嘱刘沉住气。很快，该部就停止了前进，顾还以电话告刘，适才前进部队隶属民团。刘说不管什么部队，停止前进就行。
枪杀王以哲事件发生后不久，缪澄流军长曾派人追拿孙铭久等人，但没成功。孙铭久等人曾进入苏区，由于嫌苏区太苦，转而又去了上海。枪杀王以哲军长的于连长，后被刘多荃密令处死。还有高福源旅长，刘多荃听报告说杀王以哲军长时，是高福源在粉巷指挥的，刘认为高也是少壮派，就密令驻西安的葛团长将高福源暗杀。实际上，高福源是王以哲的亲信好友，不可能杀王。高当时出现在粉巷，实是偶然，他并没有参与“二二事件”，他的死是冤枉的。
西安事变和平解决后，东北军被整编成6个军。刘多荃任第四十九军军长，辖第一0五师（师长高鹏云）和第一0九师（师长赵毅）。1937年8月中下旬，日军开始沿津浦线大举南犯。刘多荃率第四十九军在沧县及静海附近与日军发生激烈冲突，日军以勐烈的炮火向静海轰击，四十九军被迫向南撤退。
1937年10月底，第四十九军被调到淞沪战场。一0五师在钱江弄、江桥一线坚守阵地，遭到日军重火力勐攻，全师官兵奋勇杀敌，以死报国，六二六团团长顾忠全壮烈牺牲，该团一营伤亡过半。一0九师在纪王庙、马同桥一线与数倍于己的日军苦战，无所畏惧，4个团长有3个相继殉国，营长伤亡了三分之二，整个师基本都为国捐躯了。
第四十九军虽然损失惨重，但在战后蒋介石并不给补充。万般无奈之下，刘多荃带着一0九师师长赵毅亲自到武汉去活动，花了好大一笔钱才打通了门路，调来了全部徒手的预五师补充一0九师。事先讲好条件，赵毅仍为一0九师师长，原预五师的团长以上主官全部留任。刘多荃将张学良当年留用的一部分武器装备该师。补充后的一0九师全是捷克式步枪，每连六挺捷克式轻机枪，每营配有重机枪连，团有迫击炮，装备精良。然而刘多荃、赵毅高兴没多久，在一次下命令让一0九师开拔时，原预五师留任的4个黄埔生团长全部告长假，部队一点也开不动。事情反映到蒋介石那里，蒋介石非但不处分故意捣蛋的团长，反而借机将赵毅撤职，换上了嫡系李树德，刘多荃任命的其他东北军军官也都被撤换掉，接着又将一0九师划归第一战区刘峙指挥。
1939年大批日军勐攻南昌，刘多荃率部守御松山、万家埠一线。由于作战失利，又被蒋介石借题发挥，将刘多荃由中将军长降为上校。一0五师师长王铁汉撤职留任，责令戴罪立功。副军长高鹏云、参谋长秦靖宇相继调离，另派中央嫡系林耀堂和凌振仓分别继任。就这样，第四十九军实际上是名存实亡了。
1941年12月，王铁汉升任第四十九军军长。1947年9月，第四十九军被调往东北参加内战，后来在辽沉战役中被人民解放军全歼。
1941年11月，刘多荃任第十集团军副总司令，12月兼任热河省政府主席，1943年 6月任第十二战区副司令长官。解放战争时期，蒋介石为拉拢原东北军将领为他打内战，委任刘多荃为华北“剿总”副司令、热河省政府主席，并晋级陆军上将，成为傅作义的副手。
1948年底，刘多荃举家迁往香港，新中国成立前夕在香港通电起义。恨极了刘多荃的国民党特务在10月1日新中国成立这一天，将仍在国民党军队任职的刘多荃长子刘全礼杀害。
1949年12月，在有关部门的帮助下，刘多荃从香港返回北京，后任政务院参事、辽宁省交通厅厅长、辽宁省第四届政协副主席等职。1985年在北京病逝。