日军侵占辽、吉两省后，即积极图谋取得黑龙江省。但因黑省远处日军在东北的势力范围之外，且与苏联接壤，日军出兵侵占尚有顾忌，因而玩弄以华治华的策略，利用张海鹏伪军为前驱攻占黑龙江省。为此，给以大量械弹。
黑龙江省军政当局自辽、吉两省陷落后颇为惊慌，并因省主席万福麟远在北平，群龙无首，如何应变，莫衷一是。日寇睹此情形，更加制造攻黑的空气，意在恫吓，增加纷扰。万福麟在北平曾电令“黑省军事暂由警务处处长窦联芳负责照料，参谋长谢珂副之”，但窦接电后不关心、也不负责抗战的事，军事上一切由参谋长谢珂处理
谢珂奉张学良命令，对进犯的张海鹏伪军进行抵抗。当即开始布置军事，准备抗敌：调朴炳珊炮兵团的两个营布防齐齐哈尔，并委任其为齐齐哈尔警备司令；调程志远第二骑兵旅的朱凤阳团从小蒿子站（今泰康）进抵泰来附近，担负对洮南方向的警戒；将驻拜泉的吴松林第一骑兵旅调齐齐哈尔城南布防；由徐宝珍率卫队团及配属炮兵一个营，工兵及辎重各一个连2000余人进驻江桥北端阵地，构筑战斗工事，在桥南端布设地雷场，并把库存的近百挺捷克式轻机抢装备给第一线守备部队，同时，电告黑河马占山和省防军第一旅旅长张殿九，省防军第二旅旅长苏炳文各派一个步兵团进驻昂昂溪，电令驻满洲里的程志远旅做好准备待命而动，至此，江桥阻击战的各项准备工作基本就绪。
为保卫省城齐齐哈尔，将独立骑兵第２旅的１个团部署于泰来，对洮南方向警戒；派工兵１个连驻守嫩江铁桥，并在北岸构筑了防御工事；１０月初又将省防骑兵第２旅控制于黑龙江附近待命。
嫩江南岸的江桥是洮（南）昂（昂昂溪）铁路跨越嫩江的必经之路，系南北交通要冲，日军如侵犯省城，首先必须攻占江桥。１０月１３日，张海鹏在日军授意下开始向齐齐哈尔进犯，于是引起了江桥抗战。
张海鹏派徐景隆率３个团从白城子出发向江桥进犯，１５日到泰来，日军飞机飞抵龙江上空助威。１６日拂晓，叛军进抵江桥南端，与守军发生激烈战斗，其３个团在守军的反击下伤亡惨重，一齐溃退，在江桥以南地区与守军对峙。守军遂将江桥破坏３孔，阻止日军再犯。
１０月１６日，马占山接到张学良任命其代理黑龙江省主席、军事总指挥的电令后，立即从黑河昼夜兼程前往省城，于１９日经哈尔滨到达齐齐哈尔，２０日上午就任黑龙江省代主席，并宣布成立黑龙江军临时总指挥部，以便统一指挥。马占山任总指挥，以副司令公署参谋长谢珂任副指挥。
1931年10月22日，马占山针对日军集结重兵妄图侵占黑龙江省事发表宣言：“与此国家多难之秋，三省已亡其二，稍有人心者，莫不卧薪尝胆，誓求危亡，虽我黑龙江一隅，尚称一片干净土……尔后凡侵入我省者，誓必死一战”。马占山在听取谢珂等将领关于江桥作战情况的报告后，立即调整了部署：委朴炳珊为省城警备司令，以加强省城防卫；任王南屏为黑河警备司令，接替马占山的遗缺；将东北屯垦军3个步兵团、1个骑兵团、1个炮兵营编为步兵第1旅，开驻大兴以南布防。其中骑兵到富拉尔基以西对景星方向警戒。至1931年10月29日，基本完成了从江桥到榆树屯和昂昂溪的以铁路为轴线，纵深约40公里、宽约10公里的三道防御阻击阵地布置。
原宁安公安总队长刘万魁率所部1000余人，于15日在宁安以西接受整编，整编为自卫军第五独立团。
关东军在张海鹏叛军失败之后即准备直接出兵，认为中国军队破坏嫩江桥是最好的借口，遂以洮昂路的修建有日本投资为理由，决定以第2师团第16联队的步、炮各1个大队和1个工兵中队组成嫩江支队，在独立飞行第8中队协助下，以武力掩护修桥，来挑起事端，发动进攻。但当时日本陆军省和参谋本部对苏联尚有所顾忌，因而不同意关东军进攻。金谷范三曾电令关东军：“为修江桥，可以出动。但如向远离嫩江的北满出兵，无论有何项理由，非经我批准，都不许出兵。”但当从日本驻苏联大使广田弘毅口中得知苏联副外长加接罕已于10月29日向日本声明苏联对交战双方都不提供任何支持、采取“严格的不干涉政策”时，日本陆军省等的态度才有所改变，转而采取支持关东军的态度。
1931年11月2日，本庄繁令齐齐哈尔日本特务机关长林义秀向马占山发出最后通牒：马占山军在1931年11月3日正午前必须自嫩江铁桥后撤至10公里以外地区，在日军修桥完竣之前不得进入该地区；如不接受上述要求，则日军将使用武力。马占山决定对日军修桥不予干涉，但如进攻中国军队，则采取自卫措施。
1931年11月4日上午，日嫩江支队先遣中队在飞机掩护下从江桥车站北进，通过嫩江桥后向大兴车站以南的中国军队阵地进攻。是时马占山卫队团徐宝珍部、张竞渡部共2700人奋起迎击，将敌击退。下午，日军集中兵力约4000余人，由滨本大佐指挥，在飞机坦克和重炮掩护下向江桥发动进攻。日军先突入江桥左翼阵地，继而向江桥正面大兴线主阵地猛攻。中国守军奋起还击。日军一度突入我阵地，双方展开白刃战，日军不支遂撤向江岸，遭到预伏在芦苇中的中国军队截击。此时，日军援军赶到，在立足未稳之际又被守军骑兵夹击，被迫退回。战到20时，日军败退遣尸400余具。是日夜，日军连续炮击后乘船百只偷袭，待船近北岸时，潜伏在芦苇内的中国军队突然开火，日军死伤落水者众，余皆退回。此日中国军队伤亡300余人，日伪军伤亡1000余人。日军集中兵力，在飞机和炮兵的支援下连续进攻，均被守军击退。日军低飞投弹的飞行员大针新一郎中尉亦被击伤。
1931年11月5日上午，日军集中全力再次发动进攻。战斗极为激烈。上午6时，日军以数十门大炮对守军阵地炮击。7时，日伪军8000余人在大炮和飞机掩护下，日军从中路、伪军从左右两路渡江。当船到江心时，中国军队猛烈还击，日伪军虽伤亡很大仍挣扎强渡。10时，日军占领江岸第一线阵地，守军分撤至左右两翼阵地，日军继而向第二道防线大兴阵地猛攻，遭到守军顽强抗击。中午，马占山赶到前线指挥吴德霖团和徐宝珍团从正面反攻，急调骑兵第1旅萨布力团从两翼包抄日军。从15时血战到日暮。日本人承认：“中国军队用步兵及骑兵实行包围式反攻，日军蒙受极大之损失，而不得不向后撤退（见国联调查团报告书嫩江桥之役）。”日军被迫向后撤退，由进攻转为就地防御，其后方勤务分队大部被我迂回的骑兵所歼灭。
此战，中国军队伤亡200余人，日军死亡167人，伤600余人。
当日夜，日军第29联队的1个大队前来增援，到达后立即发动进攻，但很快亦被马占山军所包围。本庄繁再急调第16联队的1个步兵大队和3个炮兵中队来援。
1931年11月6日晨，日军增援部队到达，在飞机轮番扫射、轰炸支援下发动猛攻，试图解救被围日军。当日，马占山亲自到阵地督战。双方伤亡均众。日军在马占山军的顽强抗击下，攻击受挫，进展困难。本庄繁当即又令第2师团多门二郎率在沈阳地区的第29联队、骑兵第2联队、野炮兵第2联队、临时野战重炮兵大队、工兵中队和混成第39旅团的1个大队急开江桥附近增援，对守军进行强攻并占领大兴主阵地。中国军队拼命冲杀，白刃格斗杀声震天，几次夺回失去的阵地。此日中国军队伤亡1850余人，毙日伪军2000余人，击落飞机1架。日军滨本支队几乎被全歼，高波骑兵队伤亡殆尽。
由于士兵连战三日两夜，无援军替换，异常疲困；加之大兴阵地已被摧毁，马占山将军下令将主力撤至距大兴站18公里的三间房第二道阵地，以骑兵第1旅与步兵第1旅重新组织防御。
7日晨，大批日伪军在10架飞机掩护下，向三间房南汤池猛攻。马部张殿九旅和苏炳文旅1个混成团赶到反攻，战至午后将日伪军击退。此战中国军队伤300余人，毙伤日军600余人、伪军千余人。尤其值得称道的是，当敌机连续俯冲扫射、狂轰滥炸而我方完全没有高射炮火拦击的被动局面下，智勇双全的将士们竟表现出了惊人的聪明才智，“以20人为一组，仰卧地上，用步枪向上射击”，创造性地击落了敌机一架。事后检查其残骸“两翼有26个子弹洞”，是为中国对日作战史上所击落的第一架敌机。以此之故，在后来的战斗中，日本飞机再也“不敢低飞。”见日军损失惨重，本庄繁下令多门二郎停止前进，返回原驻地。
日军为掩盖自己失败的真相，散布苏联向黑龙江守军提供弹药的谣言，还以各种谎言遮掩日军损伤数目，唯恐日本国内反战势力占上风。马占山曾通电驳斥日军谣言。
日军在第一阶段作战中伤亡很大，为尽快打破僵局抓紧调兵遣将，极力准备再次进攻。同时通牒马占山进行施压，要求其立即下野、让出权力并撤出在齐齐哈尔的中国军队，遭到马占山的断然拒绝。关东军向日本陆军中央部提出速增派一个师团的兵力。本庄繁下令“第2师团全力向大兴方面集结”。至11日，日军在嫩江北岸有长谷旅团司令部、步兵第16联队、第4联队(欠第3中队)、第29联队第1大队(欠第3中队)、骑兵第2联队及配属的第28联队之第2中队，野炮兵第2联队’(欠第8中队)，工兵第2中队。嫩江南岸有野战炮兵第26联队第3大队、临时野战重炮兵大队等，总兵力超过3万人。
针对日军的调兵遣将，1931年11月7日晚，马占山主持召开军事会议，研究应敌措施并确定调整部署，重新设置三道防线。第一道防线在汤池、乌诺头、新立屯一带，其前线阵地在后依里巴、前官地、后官地等地，由骑兵第1旅吴松林部两个团防守。14日后骑兵第2旅程志远部全部投入汤池等地战斗。第二道防线在英老坟、三间房、大兴屯、小兴屯、霍托气等地，是黑军正面防御的主阵地，由暂编第1旅苑崇谷部4个团、步兵第2旅吴德林团、步兵第3旅李青山团、骑兵第1旅王克镇团、朴炳珊炮兵团，还有工程兵等保障分队防守。14日后，步兵第1旅孙洪裕团和绥化保安大队2000人加入正面防御作战。第三道防线在朱家坎、富拉尔基、昴昴溪、榆树屯等地，由步兵第1旅张殿九部2个团、骑兵2旅全部和卫队团防守。总兵力1。3万余人。
三间房是洮南至昴昴溪铁路线上的一个车站，北距齐齐哈尔70里，南距嫩江桥60里，是中国军队保卫黑龙江省省会的重要防御阵地。日军要侵占黑龙江省必占三间房才能直达齐齐哈尔。因此，争夺三间房就成江桥之战第二阶段的焦点。
1931年11月12日上午，日军先头部队步骑兵500人向马占山部前沿阵地前官地、后官地、张花园进攻，守军吴松林部奋起抗击。战至13时，阵地被日军占领，守军600余人撤向第一线阵地。
1931年11月13日晨5时，日军500余人在两架飞机配合下，向新立屯进攻，遭到守军反击，战到10时，被守军击退。当日中午，被炸坏的嫩江桥修复，为日军大规模进攻提供了有利条件。中午，关东军司令本庄繁第三次下达增援令：“将第2师团剩余部队及混成第39旅团的步兵3个大队，及救护班派往大兴附近”，并令第2师团长多门中将一并指挥嫩江支队。日军大本营急增3个飞行队至黑龙江省，并把准备在大连登陆的第4混成旅团改在朝鲜釜山登陆，进快进抵黑龙江。下午，日军步骑兵3000余人在炮兵配合下向汤池、乌诺头、新立屯发动猛攻。守军奋起抵抗，战至午夜12时，日军占领乌诺头。
1931年11月14日晨日军在两架飞机和重炮掩护下向汤池阵地猛攻，被马占山部击退。10时许，日军2000余人在长谷指挥下，分步、骑两支部队，采用大包围的战术，从左、右两个方向攻击汤池，马军且战且退，激战至15日晨，日军攻至拴马。马占山早已令两个骑兵团悄悄包抄敌两翼，一声令下，正面卫队团首先冲入日军阵地，骑兵团从两翼呼啸而至，日军仓皇撤退。马占山部缴获炮2门、马70匹；毙日军300，俘获200，伪军伤亡及携械逃亡者2000余人。守军为增强防御力量将绥化保安大队2000人编为独立团，加入正面阵地。15日，本庄繁奉日本陆相南次郎命令，再次向马占山提出马军撤出中东铁路以南，该区由洮昴局管理，马不得妨碍等三项要求，被马占山拒绝。
1931年11月15日晨7时30分，日军第2师团司令多门中将率师团主力到达大兴前线。
1931年11月16日11时，在10架飞机和重炮、坦克支援下，日军步骑兵4000人，向新立屯、三家子等阵地发动猛攻。守军奋力抵抗，战至15时，将日军击退。双方伤亡惨重。17日10时10分，本庄繁接到陆军参谋总长关于“向齐齐哈尔以北推进。尽力以果敢行动使敌陷于溃灭”的指令，下令第2师团“一举攻占齐齐哈尔”。又令混成第39旅团除1个步兵中队和工兵中队外，“将其余部队调集大兴，人列于第2师团长指挥”。13时，多门师团长在后衣里巴列车内向日军各部队下达了向黑军全面进攻(重点进攻三间房)的命令。
1931年11月17日22时，得到补给增援的日军兵分三路，向马部阵地展开狂攻。右翼部队在天野指挥下，从乌诺头出发向新立屯一带左翼阵地进攻。守军吴松林旅虽连战数日疲惫不堪，但面对数倍强敌仍竭死抵抗，打退日军进攻十余此。战至日凌晨，守军战壕多被毁坏，各团、营阵地被切断数十处，难以扼守，遂退往大兴屯一带第二道阵地。17日22时40分，日军左翼部队在长谷指挥下，向汤池一带右翼阵地进攻。守军程志远旅与之殊死奋战。翌日2时，日军增加攻击力量，以坦克8辆、大炮30余门，肆恣猛击，守军难支，遂撤向三间房主阵地。
1931年11月18日凌晨3时，日军集结各部按预定部署进至待击地域。6时30分，飞机和炮兵先后向三间房一线阵地轰击1小时，守军以炮还击，彼此炮声隆隆，震撼整个朔北荒原。彼时日军重炮射程30公里，马军重炮射程15公里，吃亏不小。8时许，日军在坦克掩护下开始总攻。守军奋力抵抗，日军进攻受挫。9时20分，多门下令预备队增援，又发动疯狂进攻。战至10时，守军右翼部队虽浴血对抗，却难固守，便退至昴昴溪。10时30分，守军左翼阵地小兴屯失守，部队且战且退至红旗营子、榆树屯一带。此时，长谷指挥步、骑兵在飞机、坦克配合下向三间房主阵地进攻。守军苑崇谷旅及张殿九旅顽强抗击。14时，日军第39混成旅团续到一个联队从三间房西侧三家子加入战斗。并与正面进攻的长谷旅团，全力夹击。15时后，日军又增加飞机12架、坦克12辆、大炮30余门，以猛烈炮火，将战壕全部摧毁。马军由于粮食仓储地被日机炸毁，守军“不得饮食，疲饿过甚”。空腹苦战的中国守军面对数倍之敌毫无惧色，与敌拼死肉搏，喊杀之声惊天动地，三间房一带的战事更是彻夜未停。尽管中国军同仇敌忾，个个“奋勇异常”，但连续鏖战，很多士兵几日未睡，粮食断绝，得不到任何增援。当时使用的弹药系黑龙江守军长期库存，很多因发霉而不能用。在侵略军源源不断地得到大量补充和增援的情况下，敌强我弱的局面日趋严重。加之阵地被毁，“实在无力支持”下去。18日下午，马占山将军不得不痛苦地下令撤出战斗。19日，日军5000余人侵占齐齐哈尔，江桥之战结束。
据日方记载，日军第二师团进攻江桥的参战总人数约5900人，伤亡（含冻伤）达1181人（一说1378），占其总人数的２０%。又据日军统计，马占山军参加江桥抗战的总人数约为11800人，伤亡约1100人。
违反蒋介石不抵抗命令的江桥抗战打响了武装抗击日本帝国主义侵略中国的第一仗，以鲜血和生命在中国人民抗日战争史上写下了光辉的一页，对全中国人民的抗日救亡斗争产生了重大的政治影响，有力地推动了全国人民抗日救亡运动的发展。全国各地爱国志士纷纷谴责蒋介石的不抵抗主义，谴责国民政府对东北沦亡熟视无睹的行径，要求国民政府“下令全国动员，对日决一死战，以保国家之尊严，民族之人格”。全国抗日救亡运动在江桥抗战影响之下掀起高潮，东北人民抗击日军的斗争风起云涌，抗日烽火迅速燃遍了白山黑水间。
１９３１年９月１９日沈阳沦陷。９月２０日日本侵略者改辽宁省为奉天省，改沈阳市为奉天市，由日人土肥原贤二任市长。辽宁省省长臧式毅等与熙洽、张景惠沆瀣一气，积极从事出卖祖国、组织傀儡政权的活动。
９月２３日，张学良发出通电，严正声明：“东北边防军司令长官公署行署及辽宁省政府均不能行使职权，兹在锦县暂设东北边防军司令长官公署行署及辽宁省政府行署，着以张作相代理东北边防军司令长官……”以示东北三省政权依然存在，不承认日本帝国主义炮制的傀儡政权组织。９月２７日，辽宁省代主席米春霖从北平赴锦州组织行署。
锦州仅次于沈阳、安东，为辽宁的第三大城市，是东北通往华北的咽喉，北宁、锦朝两路在此交会，战略地位极为重要，夺取了锦州，就获得了进一步西侵热河、平津的重要战略基地。日军在侵占沈阳、长春、齐齐哈尔后，锦州便成为日军进攻的下一个目标。张学良在此设东北边防军司令长官公署行署及辽宁省政府行署，不仅对在东北坚持抗日作战的东北军和广大的民众是巨大的鼓舞，而且对步步进逼的日本侵略者是一个威胁。
但是，锦州附近的东北军已不足三万，主要有原驻通辽的骑兵第三旅张树森部，驻洮南的步兵第二十旅常经武部，锦州驻军步兵第十二旅张廷枢部，驻盘山的步兵第十九旅孙德荃部，另有辽宁警务处公安骑兵三个总队熊飞部。
日本关东军为了摧毁东北军的指挥机关，早在１０月８日即以飞机１１架对锦州轰炸，投下２５公斤重的炸弹７５枚。在此前后还多次派飞机空袭沟帮子、打虎山车站。日军又指使汉奸凌印清、张学成等组织所谓“东北自卫军”，但凌印清、张学成的汉奸武装先后被警备处长黄显声派骑兵公安总队歼灭。日本的阴谋未能得逞。
１１月间，日本又派土肥原贤二去天津制造暴乱，再次制造出兵的借口，并乘机劫持了废帝溥仪去东北充当傀儡。２６日夜，驻天津的日军致电关东军：“在天津附近，日华两军再次冲突，军决定断然行使自卫权，击退当面之中国军，切望迅速增兵。”关东军接电后，立即作出了“军准备立即集结兵力，然后向山海关前进，救援贵军的危急”的决定，遂令混成第４旅团（原属第８师团，１１月间由日本调至东北，驻军齐齐哈尔）推进到大凌河一线，第３９旅团和第２师团主力到沈阳集结，并派飞机支援地面部队的行动。后因准备不足，遵照日本政府的命令停止进攻，进入辽西的部队撤至新民。
国民政府得知日军向锦州进攻后，经与英、美、法三国商议，于１１月２５日向国际联合会（以下称“国联”）提出了划锦州为中立区的方案，提出驻锦州的中国军队撤至山海关，日本向该三国和国联保证不占锦州，由国联派官员进驻中立区监督。日本关东军坚决不赞成将锦州划为中立区，竟向陆军省及参谋本部提议：如有必要设中立区的话，应设在山海关至滦河之间。这说明关东军坚决要将中国军队驱逐至关内，要侵占整个东北地区。１２月初，张学良曾企图将锦州部队撤入关内，国民政府告诫张学良：“兄拟将锦州驻军自动撤退，请暂从缓。”并告张：如日人进攻，“自当力排困难，期能抵御”。
１２月中旬，关东军以讨伐辽西匪贼为名要求增派兵力。关东军司令部制订了《进攻锦州的方略》。日本从国内增派了混成第８旅团和１个战车队、１个口径１５厘米榴弹炮大队、１个口径１０．５厘米加农炮中队，从朝鲜增派了第２０师团司令部、混成第３８旅团及１个重轰炸机中队到东北参战。
１２月１８日，关东军司令部根据１３日制定的《进攻锦州的方略》，又拟订了《进攻锦州向大凌河畔进军的要点》和《进攻锦州附近敌阵地的内定计划》，决定分两步攻占锦州。第一步攻占沟帮子，以控制交通线和集结兵力。第２师团由营口、田庄台沿营（口）沟（帮子）铁路，经盘山从东面进攻；混成３９旅团由沈阳、新民沿沈（阳）山（海关）铁路，经大虎山从北面进攻；混成第８旅团随混成３９旅团前进，担任沟帮子至新民间的警备。第二步攻占锦州。以从朝鲜调来的第２０师团司令部和混成第３８旅团（预定２９、３０日到达）及混成第３９旅团进攻锦州；第２师团为机动兵团，仍控制于沟帮子，随时准备策应。预定２８日开始行动。
在准备期间，第２师团以“剿匪”为名义，令第３０联队的步、炮兵各１个大队攻占田庄台，以其为进攻出发地；令野炮兵第２联队及第１５旅团派出小部队，对牛庄、三岔河、盘山等地进行战斗侦察。该师团与中国军队、当地民众义勇军不断发生小规模的战斗。
１２月２８日，日军第２师团在飞行队的配合下，沿营沟路进攻沟帮子，沿途遭到东北军和民众义勇军的抵抗和装甲列车的炮击，于３１日进抵沟帮子；混成第３９旅团于３０日晨由新民、沈阳乘火车出发，沿途仅遭轻微抵抗，于当日到达大虎山，３１日到达沟帮子；混成第８旅团亦于３０日由沈阳乘汽车西进，３１日到达大虎山，沿铁路派出了警备部队。日机在掩护地面部队前进、轰炸沟帮子附近的装甲列车时，被击落１架。
锦州地区的东北军在日军进攻时既得不到支援，又恐被日军从塘沽或秦皇岛登陆切断退路，遂于１９３１年１２月２９日开始向关内撤退。１９３２年１月３日晨全部撤出锦州，至滦县地区集结。当日下午，日军占领锦州。
日军占领锦州后，迅即占领辽西其他地区，直逼长城之下。尔后又重新调整部署，作下一步攻取哈尔滨、侵占东三省特区的准备。
哈尔滨保卫战
哈尔滨为东北门户，是北满的政治、经济、文化中心。这里既是中苏共管的中东铁路的枢纽，又是华洋杂处的国际市场。该市是东三省特别行政区署所在地（道里为东三省特区所属，道外为吉林省所属）。“九一八”事变后，日军一度想进攻哈尔滨，但日本政府担心苏联的干涉而遭到陆相南次郎的阻止。日军侵占齐齐哈尔后，抵近苏联国境。由于苏联外交人民委员李维诺夫向日本重申实行不干涉政策，因而助长了日本的侵略气焰。
哈尔滨特区行政长官张景惠于９月２７日宣布成立“东省特区治安维持会”，自任会长，叛国投敌，并利用日军供给的大批军火，招募伪特区警察部队，扩充武装力量。
同年１１月，以诚允为主席的吉林省抗日政府在宾县、以马占山为主席的黑龙江抗日政府在海伦相继设署办公，极大地鼓舞了吉、黑两省人民的抗日斗志。日本关东军为进攻哈尔滨，首先要以武力“讨伐”抗日武装。１９３２年１月，由降日的原吉林省军编成的伪军，在叛国投敌、被日军任命为“吉林省剿匪司令”的原东北军骑兵第１６师师长于琛澄率领下开始“讨伐”吉林省抗日政府。１月１６日，于部伪军在榆树被东北军第２５旅击溃。２７日，伪军在南岗、三棵树地区又遭到李杜、丁超等部的反击，前后伤亡７００余人，进攻受挫。于是关东军决定直接出兵。
１９３２年１月２８日晨，本庄繁在得到参谋本部同意派兵“护侨”的复电后，立即命第３旅团长谷部照率第４联队、炮兵大队及坦克２辆，从长春乘火车去哈尔滨“护侨”。当日本海军陆战队在上海发动“一二八”事变后，国内外视点都集中在上海。日军想利用这个机会侵占哈尔滨，于是参谋本部急令关东军增加兵力攻占哈尔滨。
本庄繁于２９日下达作战命令：第２师团向长春集结，尔后以车运至哈尔滨；混成第４旅团一部，从齐齐哈尔以车运至安达、肇东，从哈尔滨北面策应第２师团作战；关东军飞行队第１、第３、第８、第９中队掩护第２师团集结、开进和进攻。
长谷部率第４联队从长春乘火车出发。由于铁路多处被东北军破坏，２９日拂晓，其列车到达松花江南岸的老哨沟一带时即受到东北军的攻击。日军立即改为攻击前进，在不断遭到阻击的情况下，于当晚进至三岔河以北的石头城子村。
在吉林抗战的东北军各部为了统一指挥、抗击日军的进犯，于１月３１日组成了吉林自卫军。众将领推举李杜为总司令。自卫军的编组如下：
吉林自卫军总司令李杜
中东路护路军总司令丁超
前敌总指挥王之佑
总参谋长杨耀钧
第２２旅旅长赵毅
第２５旅旅长马宪章
第２６旅旅长宋文俊
第２９旅旅长王瑞华
暂编第１旅旅长冯占海
骑兵第１旅旅长宫长海
骑兵第２旅旅长姚殿臣
山林游击队统领宋希曾
日军在三岔河遭到重创，并知吉林自卫军成立后，一面修路准备再犯，一面由关东军总司令本庄繁致函自卫军，称“苏俄政府并不反对该军使用中东路运输部队，请丁、李对局势放大眼光，抵抗无益”，企图逼丁、李放弃抵抗。
１月３０日，向哈尔滨进犯的关东军第３旅团长谷照部于当晚８时进抵双城车站。当时第２２旅赵毅部正在此设伏。日军先头部队军车２列到站后，日军下车集结，准备部署对哈尔滨的进攻。设伏部队乘敌架枪吃饭、毫无准备的有利时机，突然从三面发起攻击，以猛烈的火力将敌压迫于站台上下，继而以刺刀、手榴弹与敌展开白刃战。日军措手不及，死伤甚重。３１日天亮后，第２２旅部队方撤离战场。日军被迫停止待援，并修筑了临时前进机场。
双城失守，哈尔滨门户洞开。自卫军将大部兵力配置于哈市城南及东南、西南的顾乡约屯、病院街、旧哈尔滨城、拉拉屯一线。日军第２师团各部于２月３日先后到达苇塘沟河地区。４日下午，日军展开于铁路两侧的顾乡约屯以南、永发屯、杨马架一线，第３旅团在铁路以东，第１５旅团在铁路以西。炮火准备后，日军发起攻击。吉林自卫军利用工事和村庄房屋顽强抵抗，炮兵集中火力对进攻的敌军实施歼灭射击，杀伤了大量敌人。日军攻击顿挫，转为就地防守。
２月５日拂晓，自卫军开始反击，首先以炮兵实施火力准备，对铁路以东的日军第３旅团阵地集中射击，尔后步兵开始出击。第一线日军陷于苦战困境。第２师团长多门二郎急令炮兵对反击的自卫军实施拦阻射击，并将坦克队和预备队投入反击。飞行队的４个中队从双城临时前进机场起飞，轮番轰炸、扫射，以支援地面部队作战。战斗异常激烈，双方伤亡均众。由于自卫军没有空军支援，日军飞机威胁甚大，于５日下午全线撤至哈尔滨以东地区。日军侵占哈尔滨后，沿中东路向东进犯，于３、４月间相继占领了哈东的海林、宁安、方正等要地。
哈尔滨的沦陷标志着在东北三省的抗日政权和东北军的瓦解，以东北军为主体的抵抗活动趋于消沉，代之而起的是各地义勇军的抗日斗争。
