1936年，张学良在西安建立军官训练团，以培养抗日骨干，黄显声被任命为教育长。不久之后，黄显声又被派到河北任53军副军长兼119师的师长。这一年，黄显声秘密入了党，介绍人是周恩来。
在河北工作期间，他大力扶持116师，让116师吸收了一大批流亡的爱国学生和进步青年，使116师成为该军的抗日中坚。116师691团的团长叫吕正操。
1936年底，张学良和杨虎城发动了西安事变，为了逼蒋抗日，扣押了蒋介石。张学良还秘密致电东北军53军的军长万福麟，让他率部迅速南下郑州，卡住陇海路，防止中央军西进。
然而万福麟接到密电后竟然按兵不动，副军长黄显声力劝南下，竟遭万福麟软禁。在中国共产党的努力下，蒋介石答应抗日，西安事变得以和平解决。
然而蒋介石却出尔反尔，把张学良扣押在南京。随后东北军也惨遭改编，规定每个军压缩为两个师，每个师只设两个旅，每个旅只设两个团，然后被调派至不同战区。
黄显声因为支持张学良的西安事变而惨遭排挤，被迫离开了53军。离开之前，他私藏了一批武器，后来几经辗转送到了延安。
黄显声离开53军之后，曾为营救张学良而积极奔走，甚至跟张学良的弟弟张学思一起找到了宋美龄，并提出以他们二人作为人质，换取张学良的自由，然而他们的请求被拒绝了。
1937年底，黄显声接到周恩来和“东北抗日总会”的通知，奔赴武汉，商量积极策划营救张学良，希望张学良能够重振东北军，继续领导东北军打回东北去。
在武汉期间，他参加了一次东北军老乡聚会，席间他痛骂蒋介石，还提出要营救张学良。这一情况被人告密到了蒋介石那里，蒋介石勃然大怒，下令抓捕黄显声。
周恩来也迅速得知这一消息，立即通知黄显声停止公开活动，并且告知他已经安排好让他去延安。可他满不在乎，认为自己光明磊落，蒋介石不会把他怎样，没有立刻转移，结果他不幸被军统逮捕。