天野于22日上午，向嘉村交代了沈阳地区的防务后，部队随即北上，当晚到达长春。从9月23日开始，第2师团全部到达了长春一带。

长春地区的东北军曾展开自卫反击，但因作战双方实力相差悬殊，战至次日，长春陷落。

当时的长春，是日本的南满洲铁路向北的终点，也是中、苏合营的中东铁路由哈尔滨向南的南满支线最后一站。为防止日军强行使用这一条宽轨铁路，从9月23日开始，苏联方面将长春车站的各种宽轨车辆紧急北调，当天早晨尚有车厢452节，但到下午4点仅存169节，至23日晚，车辆几乎已全部调走。尚留的机车也全部升火而烧完了车上的煤炭。以后苏联又调换了长春车站的站长。

到达长春的多门二郎，接到关东军21日凌晨3时令其攻占吉林市、独立守备队亦随其前进负责守卫吉、长铁路和担任长春的警备任务后，即组织在长春的第3旅团等部队，分成两个梯团以装甲列车为先导，当日上午10点由长春出发。

第2师团离开长春后，平田辰男少佐之飞行侦察第八中队一部，即沿铁路进行先头侦察，其中一架飞抵吉林市上空，向其**空投了有如下内容之通讯筒。

敌向吉林出动时，暂以熙恰为首的吉林**已获知这一消息。当敌机在吉林市上空盘旋**并投下通讯筒之后，在该市约1000名日侨中之壮年男子，他们有的腰挂日本刀，聚集在总**门前，并向涂有日本国徽的空中飞机挥手示意和狂呼口号，准备起事，使吉林市之气氛更为紧张。随之，吉林**交涉员施履本、秘书长张燕卿，往访日本住吉林市总领事石射猪太郎，提出：为使20万市民免受战火之灾，**决定对日军不予抵抗，且已令部队撤至城外；请总领事能派员与省府代表，乘在吉林站已准备好的专车，与前来之日方部队进行斡旋而和平入城。九月二十一日，东北边防军驻吉林省副司令长官公署参谋长熙洽率部投敌，日军第二师团主力不费吹灰之力就占领了吉林。

第二天，即22日敌派步兵第30联队附（木夏）本宫中佐，率一部由吉林经蛟河去敦化——当时的向东铁路之终点。

一九三一年十月一日，东北军黑龙江省洮南镇守使张海鹏投敌、奉日军关东军司令部之令，张海鹏率三个步兵团进攻齐齐哈尔。十月十六日在嫩江桥，被黑龙江省边防军击退。当地守军炸毁了嫩江铁路的第一、第二、第五号桥，以阻止日军进攻。十月二十六日，日本关东军第二师团第二十九团占领了四洮铁路沿线的主要城镇。十一月四日，日本关东军嫩江支队攻击嫩江桥北中国守军，黑龙江**代兼代东北边防线驻黑副司令长官马占山指挥三个旅，五个团共一万六千多人的兵力进行抵抗，战至十一月十八日，终因实力不济退守省城齐齐哈尔，撤往克山、海伦。十一月十九日，日军攻陷齐齐哈尔。

东北军最高军事长官，少帅少帅在“九一八事件”爆发后即离开奉天，率领部下转移到锦州。一九三一年十月十八日，日本关东军派出十二架轰炸机空袭锦州。对此，日本陆军大臣南次郎依然对日本首相若槻礼次郎声称：“由于受到中国军队的防空炮火攻击，才不得已采取自卫行动。”此后，日本关东军司令部公开发表声明，宣称“少帅在锦州集结大量兵力，如果置之不理，恐将对日本权益造成伤害。为了尽快解决满蒙问题，关东军有必要驱逐锦州政权”。此时的日本关东军的气焰是越来越嚣张，越来越猖狂，其侵略野心越来越膨胀。

日军在攻占黑龙江省的主要城镇后，开始攻击辽西地区。十二月十五日，关东军进攻锦州。十二月十七日，日军又从关东增派第八混成旅团，并从**调来第二十师团和第三十八混成旅团，外加重型轰炸机中队以增援进攻辽西的关东军。十二月二十八日，日军第二十师团主力渡过辽河进攻锦州。十二月三十日，第三十九混成旅团进攻大虎山。一九三二年一月三日，第二十师团第三十八混成旅团占领锦州。驻锦州的东北军第十二旅、第二十旅和骑兵第三旅被迫撤至河北滦东和热河。一月二十八日，关东军第三旅团自长春向哈尔滨进军，同时从辽西急调第二师团主力增援。为了转移国际社会对满洲的关注，日本又在上海挑起事端，引发了“一·二八事变”。一月三十一日，黑龙江省依兰镇守使兼第二十四旅长李杜率吉林自卫军进行哈尔滨保卫战。激战五天，自卫军不支，撤驻宾县。二月五日，日军攻占哈尔滨。

由于南京政府老蒋的“不抵抗政策”，在不到半年的时间里，整个东北三省一百多万平方公里的土地尽数被日军占领。令人百思不得其解的是，拥有近二十万部队的东北军，就这样被只有两万七千多人的日军给打败了。特别是东北最大的兵工厂，二百六十多架飞机、三千多门山、野、重炮、十五万支步枪、三百万发子弹、六百门迫击炮、四十万发炮弹、四十万磅火药和四百万两库银全部落入日军之手，成为日军杀害中国人民的武器。