这时，中国全国范围的抗日运动风起云涌，青年学生纷纷到南京请愿，外交部长王正廷因没有出来亲自接见，激怒爱国学生冲入外交部，把王正廷打得头破血流。蒋介石见势不妙，一面发表告同胞书，号召速作抵抗外侮之准备；一面命令张学良的东北军牢牢守住锦州，并任命马占山代理黑龙江省政府主席，抵抗日军，不得越过嫩江铁桥，以保黑龙江省。
黑龙江省处于日本势力范围之外，而且与苏联接壤，日军直接出兵侵占尚有顾虑。于是，日本便首先利用叛国投敌的洮辽镇守使张海鹏伪军向龙江（齐齐哈尔）发动进攻，企图达到不直接出兵而取得黑龙江的目的。张海鹏奉系军阀元老之一，因向张学良谋取黑龙江省主席未成，与日军早有勾结。“九一八”事变后，张海鹏投降日本，10月1日宣布就任伪边境保安司令，并答应日本北上进攻黑龙江的要求。
当时黑龙江省主席兼东北边防军副司令万福麟远在北平。10月中旬，张学良任命步兵第3旅旅长马占山代理省主席职务兼任黑龙江省军队的总指挥。16日拂晓，张海鹏部向江桥发起进攻，马占山率部将其击溃，并将嫩江桥破坏三孔。
日军利用张海鹏伪军进攻失败后，决定直接出兵攻占黑龙江省。日军认为，中国军队破坏嫩江桥是它出兵的“天赐良机”，可以“依然利用张海鹏军担任此项任务，或依靠关东军自己的力量，或两者并用”，以实现其“征服北满的方略”。10月27日，齐齐哈尔日本特务机关长林义秀少校，以关东军司令官代表的名义向马占山提出要求，限令在一周内即11月3日前修复嫩江大桥，否则，日本将以武力为掩护自行修复。当时，日军已决定由第2师第16团的一个步兵营、一个炮兵营、一个骑兵连和一个工兵连组成嫩江支队，准备到达江桥附近以武力掩护修桥。11月2日，林义秀偕同清水面见马占山，声称：奉日本政府及关东军司令官的训令，因洮昂路修筑原有日人借款，既有借款关系，嫩江桥应由日方派满铁工人修复。此言既出，当即遭到马占山回驳。林义秀将关东军司令官本庄繁的通告转交马占山。通告说：“（1）自即日起，嫩江桥不得为战术上使用；（2）在11月4日正午以前，两军各自桥梁撤退至10公里以外之地点，至修竣为止，不得进入10公里以内地区。修竣之日期，俟预计后随时通知两军。对于违背上述要求者，即被认为对日军怀有敌意而行使其合法之武力。”
马占山决定对日修桥取放任态度，但坚持江桥阵地不能后撤，并声称采取必要自卫措施。随后，双方开始交火。日军经两日激战夺取江桥之后，继续向纵深推进。11月8日，关东军司令官本庄繁经林义秀向马占山提出警告：“马占山如欲避免日军进入齐齐哈尔，应速披沥诚意。”并要求当晚12时以前答复。下午，林义秀又将所谓诚意条件用短札方式交给黑龙江省外交主任王春。信中说：“考察目前之时局，避免战祸、维持地方秩序的唯一方法是马主席下野；同时黑省政府与张海鹏之间实行和平授受政权，除此之外，别无良策。”9日，马占山书面答复本庄繁说：“为披沥诚意，本拟与张海鹏交涉，可是张尚未奉中国政府之命，而且日军又将江桥附近路线切断，为此，不可能与张协议授受政权。”日军认为马占山没有诚意，遂于12日13时又由林义秀转交了本庄繁的通告：（1）马占山下野；（2）马占山军从齐齐哈尔撤退；（3）为保障洮昂线安全，日军之一部派至龙江车站，并限于12日晚12时以前答复。通告发出当日晚，即遭到马占山拒绝。他慷慨通电自卫说：“日本图谋北满，野心暴露，举世睽睽，毋庸讳言。此次借口修理江桥，大举进攻，我军力图自卫，只可相与周旋。连日激战，昼攻夜袭，恣意残杀，致我死伤枕藉，卒以受迫过甚，退保三间房、大小新庄一带筑垒坚守。顾日军武器精良，胜我百倍，明知江省联络断绝，呼援不应，仅以一隅之兵力，焉能抵抗日人一国之大军？所差堪自恃者，凡我前方将士，莫不深知大义，慷慨激昂，大有气吞河岳，敌忾同仇之势。兼之占山受国家依畀之深，人民寄托之重……除已誓率前方将士，一致决死相拼，并将最近情况电向国联声请设法制止，静候世界各国公理之解决外，惟恳全国父老，努力振作，以救危亡，不胜感慨之至！”
关东军用“和平”手段威逼失败后，便积极准备发动新的进攻。11月11日，关东军发布命令，调第2师全力向大兴方面集结。12日中午，日军骑兵第2团在部分步、炮兵的配合下向中国守军阵地发起进攻。13日，日军将嫩江桥修复，满载补给物资和兵员的列车开到。关东军司令官命令第2师师长指挥该师和混成第39旅的3个步兵营以及嫩江支队，向三间房守军进攻。
至18日，日军第2师主力已全部增援至嫩江方面加入战斗。日寇出动飞机、重炮展开猛攻；但马占山所属各部与敌寇肉搏，真是惊天地、泣鬼神。由于实力相差悬殊，19日下午，日军占领齐齐哈尔，从此，黑龙江省大部分地区沦于敌手。马占山所属各部于11月中旬不得不退出黑龙江。
就在日军就要占领齐齐哈尔时，11月16日，国联理事会会议由日内瓦移至巴黎举行。这时，会议形势发生重要变化，重要活动大都改在幕后进行。美驻法大使道威斯居住的巴黎丽姿饭店，成了幕后活动的舞台。他根据国务卿史汀生的指示，提出“同时撤军”方案：日军撤至满铁地区，中国军队撤至山海关。对如此偏袒日本的方案，日本政府不但不准备撤军，反而将其用作扩大侵略的借口。日军占领黑龙江省后，全力对锦州发起攻击，企图一举夺占辽西。
锦州为辽西重镇，是北（平）宁（沈阳）、锦（州）朝（阳）两铁路的交叉点，通往关内的咽喉要道，战略地位十分重要。“九一八”事变后，沈阳的东北军大部撤退到锦州和辽西地区。9月23日，张学良通电在锦州设立东北边防军司令长官公署及辽宁省政府行署，以张作相代理边防军司令长官，以米春霖代理省政府主席，荣臻也率东北边防司令长官公署大部分职员到锦州办公。9月底，两署在锦州开始办公后，调驻通辽的骑兵第3旅、驻洮南的步兵第20旅集中于锦州附近，连同原驻锦州的步兵第12旅沿大凌河布防；另外，还有步兵第19旅、炮兵第8旅与炮兵第6旅第13团以及沈阳步兵第7旅之一部，兵力约2万，火炮约70门。
1931年10月7日，日本关东军司令官本庄繁下令轰炸锦州。10月8日中午，日机11架（侦察机6架、轰炸机5架）从沈阳机场起飞，13时40分飞抵锦州上空，对辽宁省政府所在地的交通大学、第28师兵营和张作相公馆等处投下25公斤重的炸弹75颗。接着，日本关东军派其豢养多年的汉奸凌印清为“东北自卫军总司令”，派奉天讲武堂教官日本预备役步兵上尉仓冈繁太郎等14人为顾问，收买利用土匪组织伪军，骚扰辽西地方治安，并策动张学成叛乱，企图以维持地方治安为名出兵辽西。这两股汉奸土匪武装均被锦州地方当局迅速消灭。
11月间，日本驻沈阳特务机关长土肥原贤二按照关东军的训令，在天津先后制造了两起暴乱事件。11月26日夜，关东军接到驻天津日军的急电称：“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。”本庄繁立即复电：“军准备立即集结兵力，然后向山海关前进，救援贵军的危急。”11月 27日凌晨1时，关东军司令官命令混成第4旅沿北宁线进至大凌河一线，掩护军主力开进，并为进攻锦州附近中国军队阵地实施侦察；令混成第39旅和第2师主力到沈阳集结。同时派飞机搜索锦州方面守军的情况并支援混成第4旅行动。8时以后，日军在白旗堡、绕河一带与中国东北军发生战斗。由于国民党政府经与英、美、法等国商议，已于11月25日向国联提出划锦州为中立区的建议，所以这时，日本政府和军部恐怕引起国际上的反对，又于当天下午两次电令关东军停止前进，进入辽西的部队一律撤回到辽河以东。日军其他后续部队也退回沈阳。
12月上旬，关东军为了一举侵占锦州和辽西地区，一再以所谓“讨伐匪贼”的名义要求增派兵力。12月7日，日本陆军大臣致电关东军，表明了军部关于攻占锦州的意图。12月13日，关东军司令部制定了《进攻锦州的方略》，决定从北向南直指锦州。经天皇批准，于12月17日派遣混成第8旅，27日派遣第20师司令部和混成第38旅以及坦克、野战炮兵等部队侵入中国东北参战。日本新组成的犬养毅内阁也同意了军部进攻锦州的计划。12月15日，日军参谋部给关东军下达侵占锦州的内部训令。关东军随即做好了进攻锦州的一切部署。12月28日，日军第2师、第20师、混成第39旅、混成第8旅和飞行队向锦州发动进攻，1932年1月1日从三面包围了锦州。锦州守军由于得不到支援，将领又缺乏抗战守土的决心，从12月29日起即开始撤退，1月3日晨全部撤出锦州。3日下午，日军几乎兵不血刃地占领了锦州，接着迅速占领山海关外的全部辽西地区。至此，辽宁省全部被日军占领。
由于蒋介石的对日不抵抗政策，东北三省的大部地区，在两个月短时间内即被日本帝国主义侵占。在全国各界谴责和国民党派系斗争激化的情况之下，蒋介石本人也不得不于12月15日下野，辞去国民政府主席、行政院长及陆海空军总司令等职。
日军下一个进攻目标便是哈尔滨。哈尔滨当时是东三省特别行政区官署所在地，北满的政治、经济中心，中苏共管的中东铁路的总枢纽。“九一八”事变后，日本顾及到对苏关系，暂时放弃了直接出兵夺取哈尔滨的计划，利用与日本早有勾结的东三省特别行政长官张景惠，建立了傀儡政权，取名为“东省特区治安维持会”，并建立了2000余人的特区警察队。但是，哈市群众反日情绪高涨，再加上吉林边防军代理副司令李振声、东铁护路总司令兼第28旅旅长丁超、第26旅旅长邢占清等部表示抗日，所以张景惠暂时还不敢公开当汉奸。
吉林沦陷后，熙洽在吉林组织伪省政府。11月间，张学良和张作相即电令原吉林省政府委员诚允在宾县建立吉林省政府，并委派其任代理主席，委派冯占海任吉林省警备司令兼第1旅旅长。不到一个月，各县政权组织迅速恢复，形成了与熙洽为首的吉林省伪政权的对立，打乱了日军占领整个北满的计划。于是，日军一面拉拢张景惠，一面把投降日军的原吉林省军编成5个旅，并以投敌叛国的原师长于琛澄为“吉林省剿匪司令”，企图消灭抗日力量。1932年1月，于琛澄率领伪军王树棠、李毓久两个旅及马锡麟、刘宝林两个混成旅，在日军少校东宫铁男等人的直接指挥下，由呼兰向北推进。1月16日，于部伪军在榆树将东北军第25旅击溃；23日在拉林附近与吉林省警备军冯占海部发生战斗，冯部撤退。然后，于部伪军向哈尔滨节节逼近，日本大特务土肥原也到哈市主持特务机关，企图里外夹攻，拿下哈尔滨。正当哈市形势岌岌可危、人心惶惶之时，依兰镇守使兼第24旅旅长李杜率领一个团于25日星夜赶赴哈尔滨，与第28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。于琛澄另派刘宝林率一支伪军开到双城堡东十里铺附近，2月1日被第22旅旅长赵毅所率领的部队包围，大部被歼。
关东军司令部得知于琛澄伪军进攻受挫后，便以哈尔滨形势不稳为理由，要求出兵，立即得到陆军参谋部的批准。关东军司令官本庄繁于1月28日凌晨4时，命令步兵第3旅旅长长谷部少将率该旅（欠步兵第29团）、野战炮兵第8团第1营主力组成长谷部支队，紧急开赴哈尔滨；同时命令驻沈阳的步兵第29团准备出动。29日，本庄繁又命令第2师主力和第29团到长春集结待命，沈阳的独立飞行第9中队也调至长春。30日，中东铁路南段落入日军之手。随后，日军第2师经双城、哈尔滨外围等激战，于2月5日进占哈尔滨。吉林抗日军已力不可支，遂向宾县、巴彦方向撤退，兵力只剩下1.2万余人。
至此，历时4个月零18天，东北三省及一个特区全部沦陷，3000万东北同胞失去了自己的家园，生活在水深火热之中。