17日，马占山亲率手枪队猛力反攻，夺回阵地。同日，日军多门二郎中将率领的师配备坦克8辆、大炮30多门，用猛烈炮火向三间房阵地轰击，中国军队冒着敌人密集炮火，仅靠步枪英勇还击。后来日军又增派飞机12架、坦克12辆，采用陆空配合进行夹击，中国军队奋力还击，持枪与日军肉搏，枪上没有刺刀，就用枪柄打，杀伤了大量敌人，几乎活捉了多门二郎中将。中国军队也付出重大代价，伤亡颇大。19日，马占山率军政两署人员及部队2万余人撤离齐齐哈尔，移师海伦，建立黑龙江**，在克山、拜泉、泰安等地建立新防线。同日，齐齐哈尔陷落。日军占领齐齐哈尔等地后，即将作战方向指向锦州。九一八事变后，从沈阳撤退的东北军大部进入锦州和辽西。9月23日，**通电在锦州设立东北边防军司令长官公署和辽宁**行署，以张作相代理东北边防军司令长官，米春霖代理辽宁****。9月底，两署开始在锦州办公。同时，为抵抗日军进攻锦州，调骑兵第三旅、步兵第二十旅和步兵第十二旅沿大凌河布防。

日军大举入侵辽西之前，曾于10月8日空袭锦州，接着收买利用土匪凌印清部骚扰辽西地方治安，策动张学成部叛乱。日军企图以维持地方治安为由出兵辽西，但这两股汉奸土匪势力均被锦州地方当局迅速扑灭，只好再寻别的借口出兵锦州占领辽西。11月间，日本驻沈阳特务机关长土肥原按照关东军的训令，在天津制造了两次**事件。以此为借口，17日凌晨1时，关东军司令官下令混成第四旅团沿奉（沈阳）山（海关）铁路进入大凌河，掩护军主力进入辽西；令第二师和第三十九旅主力迅速向锦西开进。日军混成第四旅进入辽西后，在白旗堡西南的青岗子一带与中国军队发生战斗。此时，日本政府和军部恐引起国际上的反对，于27日两次电令关东军停止前进，因而混成第四旅退回巨流河以东，其他后续部队也退至沈阳。

但是，日本关东军决心侵占锦州和辽西地区，遂一再请求日本当局增派兵力。日本陆军本部经报日本天皇批准，于12月4日及17日派遣混成第八旅等部队进入东北。26日，陆军本部又增派第二十师司令和混成第三十八旅和重轰炸机一个中队进入东北。

12月28日，日军第二师、第二十师、混成第三十九旅、混成第八旅和飞行队向锦州发动进攻。由于南京国民政府与日本于12月初达成一项协议，划定锦州为中立区，命令驻辽西的东北军撤退入山海关内，听候国联调查团前来调查东北问题，驻锦州地区的东北军陆续向关内撤退，仅留公安骑兵3个总队，分驻大凌河南岸地区和锦州，所以日军犹如进入无人之境。1932年1月2日，日军先头部队到达大凌河，向守军骑兵第三总队进攻，强渡大凌河，守军稍事抵抗后即撤入锦州城内。当日夜，日军第二十师开始攻城。城内辽宁**人员和军事指挥机关率所有部队向锦西撤退。3日，日军第二十师未发一弹进入锦州。

日军占领锦州后，派出户波支队乘火车向连山附近前进。东北军政当局都逃向关内。日军即占领山海关外的全部辽西地区。至此，辽宁省全部为日军侵占。

随后，日军又将进攻方向转移到北满，准备夺取哈尔滨。哈尔滨当时是东三省特别行政区官署所在地，为北满政治、经济中心，是中苏共管的中东铁路的总枢纽。九一八事变日军占领沈阳、长春后，因顾虑对苏关系，暂时未以武力夺取哈尔滨，而是策动与日军早有勾结的特区军政长官张景惠建立伪组织。11月间，远在锦州的原吉林军政长官张作相电令在宾县设立吉林**，委派诚允为****，李振声代理吉林边防副司令长官。宾县抗日政权建立后，迅速恢复各县政权组织，对日军占领整个北满是一个严重威胁。这时，日军一方面拉拢在哈尔滨的张景惠，一方面任命投降日军的原骑兵师长于琛为“吉林省剿匪司令”，向哈尔滨发动进攻。

1932年1月间，于琛澄率伪军3个旅由舒兰向北推进。1月16日，于部伪军在榆树将东北军第二十五旅击溃，然后绕道至拉林，于1月23**退吉林省警备军冯占海所部，接着向哈尔滨市进逼。正当哈尔滨形势岌岌可危、人心惶惶不安的时候，东北军第二十四旅一个团在旅长李杜率领下，于1月25日赶赴哈尔滨，与第二十八旅旅长丁超等成立吉林省自卫军总司令部，推选李杜为总司令，丁超为护路军总司令，决心保卫哈尔滨。这样，暂时稳定了哈尔滨的局势。

日本关东军在中国军队决心保卫哈尔滨的情况下，决定以保护侨民为借口直接出兵。经日本军部批准，关东军司令官于1月28日凌晨4时命令组成长谷部向哈尔滨发动进攻。由于中东铁路的广大员工不愿运送日本侵略军，致使进攻哈尔滨的日军先头部队在30日黄昏时才到达哈尔滨附近的双城堡。在这里，日军受到预先埋伏的东北军第二十二旅的袭击，遭受了严重损失。

日军长谷部支队北进后，本庄繁担心该支队受到东北军的打击，又命令第二师全部集结于长春，并立即向哈尔滨开进。2月1日晨，日军以汽车运送第二师第二十九团等部向双城堡开进，第二师其余部队于2日乘火车离开长春北进。敌援军到达双城后，立即向东北军第二十二旅展开进攻。守军在日军飞机、大炮、坦克火力的猛烈射击下，伤亡惨重，于2日向哈尔滨方向撤退。

双城失守后，哈尔滨门户洞开。这时哈尔滨市正式组成了吉林自卫军总司令部，李杜、丁超为司令，王之佑为前敌指挥，在哈尔滨布防，抵抗日军进攻。

2月4日下午4时，日军两翼进攻部队向哈尔滨发起攻击。守军利用民房、围墙顽强抵抗，英勇战斗，激战至晚，将日军阻于阵地前五六百米一线，不得前进。入夜，日军调整部署。5日拂晓前打退了守军一部的反击，随即再次发动进攻。激战至中午，守军不支，全线撤退，在撤退中又遭到日军飞机轰击，伤亡一部。日军在哈尔滨市南侧集结整顿，然后开入市内。驻宾县的吉林**也退往黑龙江省巴彦。

日军占领哈尔滨后，又以一部兵力沿中东铁路东段（哈尔滨至牡丹江段）进攻，3月4日占海林，6日占宁安，另一部于4月4日占方正。

哈尔滨的失陷，使北满局势发生了急骤变化，至此东北三省全部沦陷，原三省的政权和中国驻军东北军逐渐瓦解。至此，以东北军为主体的对日抵抗活动逐渐消沉，代之而来的是东北各地掀起的义勇军的抗日斗争。