“九一八”事变之后，国际联盟决定派遣调查团调查伪满洲国的情况。顾维钧作为当事国之一中国的代表，参加了国联调查团。
充足的前期准备
顾维钧
顾维钧在国联调查团中的正式头衔是“顾问”，国联顾问的工作不仅仅是陪同调查团参与各项调查工作，还需要对调查团提供全面的报告，使政府官员乃至调查团所去各省的高级官员对调查团可能提出的问题做出适当回答，表明中国的基本立场。此外，顾维钧还得负责调查团的接待工作，安排好他们的生活和工作。
顾维钧将政府内不同领域的专家集中起来，他们不仅熟悉东北，而且熟悉中国的军事形势、交通问题、中央政府的组织管理，还特别了解列强和外侨在中国的地位，特别是他们的权益以及中国对他们的政策。很快，一个专门的委员会成立了。
顾维钧
针对调查团可能提出的各种问题，顾维钧列出一份清单，交给胜任的人处理。清单里的每一个问题都要写出备忘录，然后交由顾维钧审阅，再做适当的修改后核准。此外，顾维钧自己亲手起草了一份涉及整个中日问题的备忘录《中日纠纷问题之总说帖》。
1932年3月14日，国联调查团一行抵达上海。不出顾维钧所料，调查团很活跃。他们一到就提出许多问题要了解，顾维钧先后向调查团递交了几份备忘录。这些备忘录事实详尽，理据充分，对向调查团和国际舆论揭露日本的侵华罪行起了积极的作用。
不顾安危远赴东北
“一·二八”事变后，上海满目疮痍。 “李顿调查团”在此盘桓斡旋，正中日本政府希望他们推迟进入东北的圈套。顾维钧明白，时间拖延越长，东北问题就越复杂，对中国越不利，因此极力劝说调查团尽快北上。在他的努力下，调查团在1932年3月下旬离开上海，前往东北。
顾维钧在联大签字
日本政府为了阻止调查团进行正常的调查，反对顾维钧进入东北，理由是：东北的局势还不正常，日本无法确保顾维钧的人身安全。同时，日本故意散布各种不利的消息，对顾维钧施加心理上的压力。
有一天，法国驻华公使盖里多和比利时驻华公使华洛思专程来看望顾维钧的太太黄惠兰，说是有私事要见她，黄惠兰分别接见了他们。然而两国公使的目的是一样的，他们说从驻东京大使馆得到了可靠的机密消息，顾维钧如果去了东北，生命会受到威胁。黄惠兰劝顾维钧慎重考虑。
顾维钧
是否随调查团进人东北成了摆在顾维钧面前的一个严峻问题。李顿表示，此事由顾维钧自己决定。在个人安危与国家利益之间，顾维钧决定去忠实地履行自己的职责。李顿钦佩顾维钧的坚定态度，表示如果日本政府不允许顾维钧进入东北，那么整个调查团就会取消东北之行。
遭遇艰险局面
关于东北之行，顾维钧建议李顿坐火车由山海关进入东北，因为这样一来，可以最直接地接触到“九一八”事变之后东北被日本侵占的土地。而日本方面却坚持调查团走海路，由大连进入东北。调查团最终采取了妥协的办法，主要成员走陆路，顾维钧和部分成员走海路。
顾维钧
进入东北，顾维钧遭遇更为艰险的局面。他受到日本方面的严密监视。在旅馆，日本军警日夜值班，只要出门了，就有人紧跟其后，即便是上厕所，也有人守在门口。顾维钧的一个秘书向他报告，有人在黑夜从窗户进入秘书的房间，直到秘书大声喊叫时才离开。顾维钧有每天散步的习惯，一天散步途中，有三个中国学生想要靠近他，却被突然冲出来的日本人带走了。事实上，日本人本来打算在他散步的时候暗杀他的，结果被三个学生打乱了计划。
顾维钧剧照
调查团的其他成员虽无生命危险，但也受到监视。在东北，许多求见者被逮捕，直接提供证据十分困难，间接的联络成了调查的主要渠道。为了完成调查任务，顾维钧想方设法与东北各界人士联系，以求揭露日本侵略的真相。为了避开日本的干扰，顾维钧在访问人员、地点、提问等细节上下功夫。
1932年8月，随着国联调查团报告书起草工作的完成，顾维钧作为“国联顾问”的使命也画上了句号。