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10月20日，差不多一个月的时间，赵恒并没有等到关东军来攻城的消息，反而是得到唐莉娜在海南建基地的消息。然而两天后的10月22日，经过一个月多的时间完全消化和吸收大量兵源的关东军残部比原来不到3万人的1－2个师团变成现在拥兵30多万下辖10个临时师团的强大部队，本庄繁等人认为现在自己这方部队是兵强马壮可以实施吞并满蒙及整个东三省的计划。
令人感到惊讶的是这次关东军并没有首先攻击几百公里之外的辽宁首府沈阳城，而是按照作战参谋部石原莞尔大佐等人制定的欲先灭辽宁必先灭吉林、黑龙江的计划，计划中30万大军将兵分两路其中一路攻占最近的吉林，另一路则绕过辽宁直奔黑龙江，最后两军汇合围歼辽宁沈阳城里负隅抵抗的神秘部队。原关东军司令官菱刈隆中将坐镇旅顺司令部协调司令部与前线作战部队，司令官本庄繁中将率一路15万大军攻占吉林全境，参谋长三宅光治少将则率领另15万大军攻占黑龙江全境，而后两支大队最后汇合迅速拿下沈阳城乃至辽宁全境，这样东三省将彻彻底底纳入日本的版图。
10月21日，吉林省主席张作相所辖下8万多东北军在15万关东军强势兵力攻击下奋起抵抗，然由于兵力悬殊伤亡过半不得不大军撤离。关东军未尾随而至而是放任这支部队离去，三天后的27日早吉林全境宣告正式落入关东军之手。此役，在飞机大炮的支援下关东军伤亡不足一万，而吉林东北军在没有外援以及航空部队的情况下激战三昼夜所部伤亡四万多，最后不得不退出吉林搭乘入关内的火车。
见吉林到手后，10月22日夜在参谋长三宅光治少将的率领下关东军另一路大军乘坐火车汽车等各种交通工具长途奔袭黑龙江，23日上午在被切断了电话电线无任何外援的情况下黑龙江省主席常荫槐、万福麟所部下辖不到2万人的部队在海洋一般涌来的15万关东军面前迅速土崩瓦解，黑龙江省主席等人不得不放弃黑龙江搭乘前往北平的火车进入关内。史实：1931年九一八事变后，日本侵略军迅速占领吉林，继续向黑龙江省进犯。那时黑龙江省省会在齐齐哈尔，日军要占领齐市，必须经过洮(洮南)昂(昂昂溪)铁路上的嫩江桥。刚刚受任的黑龙江省代理省主席兼军事指挥马占山，以约3个旅的兵力布防于嫩江北岸，扼守嫩江桥。11月4日，日军以新组建的第一满铁守备师团发动进攻，被东北军一部击退。11月6日，关东军以新组建第二满铁守备师团投入作战。马占山亲赴前线指挥，与敌鏖战，日军以优势炮火和飞机、坦克掩护，轮番猛攻，阵地失而复得，形成拉锯。12日，日军又增派新组建的第三、第四、第五等三个满铁守备师团，加强进攻。马占山孤军奋战，因部队伤亡过大，后援无继而撤退。19日，日军占领齐齐哈尔，省会迁至海伦。江桥抗战历时半个月，是九一八事变后中国军队对日军的第一次有力抵抗，马占山虽败犹荣，获得国人赞誉。而江桥抗战时，马占山可谓孤军奋战，未获驻防锦州一带东北军的实力援助。少帅虽然电令马占山死守勿退，但张驻锦州部队毫“无战斗准备”。
早在10月21日吉林告破，下午2点钟左右马占山就接到了远在北平的张少帅的任命其代理黑龙江省主席、军事总指挥的电令后，立即从黑河冒险搭乘唯一一架飞机前往省城，21日17时抵松浦后，即乘火车于当夜到达省城齐齐哈尔市。22日上午就任黑龙江省代主席，亲赴前线激励抗日将士，同时发布告悬赏索取张海鹏首级，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。
同日，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，认为华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。11月2日，远在吉林的本庄繁闻黑龙江省代为马占山后便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。
11月4日、5日、6日、7日这几天，关东军第一满铁守备师团接连发动数百次突击都未能有效突破江桥防线。
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请求遭到大本营的驳斥。于是本庄繁下令“第二满铁守备师团全力向大兴方面集结”。至11日，日军在嫩江北岸驻扎下4万5千人的部队，师团长为参谋部参谋贤古奇一少将担任，下辖新编第5混编旅团、第6混编旅团、第7混编旅团、第8混编旅团。
针对日军的调兵遣将，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。
12日、13日、14日到15日日军未能前进一步，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。
15日晨7时30分，日军原第2师团师团长现满铁第三方面军多门中将率满铁第三方面军主力到达大兴前线。
16日11时，在10架飞机和重炮、坦克支援下，日军步骑兵12000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，下令第三方面军“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，人列于第三方面军司令官指挥”。13时，多门司令官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。
激战两昼夜于18日下午，马占山将军在双方实力悬殊的情况下不得不痛苦地下令撤出战斗。19日，日军9万人侵占齐齐哈尔，江桥之战随之结束。11月22日到24略作休整两天的攻占黑龙江之关东军于26日与另一支攻占吉林之关东军在沈阳城16公里外的沈阳县（原承德县）的苏家屯区汇合。整个沈阳地区弥漫着浓烈的火药味，一场惨烈异常的沈阳攻防战正式拉开了帷幕。