日軍侵占遼、吉兩省後，即積極圖謀取得黑龍江省。但因黑省遠處日軍在東北的勢力範圍之外，且與蘇聯接壤，日軍出兵侵占尚有顧忌，因而玩弄以華治華的策略，利用張海鵬偽軍為前驅攻占黑龍江省。為此，給以大量械彈。
黑龍江省軍政當局自遼、吉兩省陷落後頗為驚慌，並因省主席萬福麟遠在北平，群龍無首，如何應變，莫衷一是。日寇睹此情形，更加製造攻黑的空氣，意在恫嚇，增加紛擾。萬福麟在北平曾電令“黑省軍事暫由警務處處長竇聯芳負責照料，參謀長謝珂副之”，但竇接電後不關心、也不負責抗戰的事，軍事上一切由參謀長謝珂處理
謝珂奉張學良命令，對進犯的張海鵬偽軍進行抵抗。當即開始布置軍事，準備抗敵：調樸炳珊炮兵團的兩個營布防齊齊哈爾，並委任其為齊齊哈爾警備司令；調程誌遠第二騎兵旅的朱鳳陽團從小蒿子站（今泰康）進抵泰來附近，擔負對洮南方向的警戒；將駐拜泉的吳鬆林第一騎兵旅調齊齊哈爾城南布防；由徐寶珍率衛隊團及配屬炮兵一個營，工兵及輜重各一個連2000餘人進駐江橋北端陣地，構築戰鬥工事，在橋南端布設地雷場，並把庫存的近百挺捷克式輕機搶裝備給第一線守備部隊，同時，電告黑河馬占山和省防軍第一旅旅長張殿九，省防軍第二旅旅長蘇炳文各派一個步兵團進駐昂昂溪，電令駐滿洲裏的程誌遠旅做好準備待命而動，至此，江橋阻擊戰的各項準備工作基本就緒。
為保衛省城齊齊哈爾，將獨立騎兵第２旅的１個團部署於泰來，對洮南方向警戒；派工兵１個連駐守嫩江鐵橋，並在北岸構築了防禦工事；１０月初又將省防騎兵第２旅控製於黑龍江附近待命。
嫩江南岸的江橋是洮（南）昂（昂昂溪）鐵路跨越嫩江的必經之路，係南北交通要衝，日軍如侵犯省城，首先必須攻占江橋。１０月１３日，張海鵬在日軍授意下開始向齊齊哈爾進犯，於是引起了江橋抗戰。
張海鵬派徐景隆率３個團從白城子出發向江橋進犯，１５日到泰來，日軍飛機飛抵龍江上空助威。１６日拂曉，叛軍進抵江橋南端，與守軍發生激烈戰鬥，其３個團在守軍的反擊下傷亡慘重，一齊潰退，在江橋以南地區與守軍對峙。守軍遂將江橋破壞３孔，阻止日軍再犯。
１０月１６日，馬占山接到張學良任命其代理黑龍江省主席、軍事總指揮的電令後，立即從黑河晝夜兼程前往省城，於１９日經哈爾濱到達齊齊哈爾，２０日上午就任黑龍江省代主席，並宣布成立黑龍江軍臨時總指揮部，以便統一指揮。馬占山任總指揮，以副司令公署參謀長謝珂任副指揮。
1931年10月22日，馬占山針對日軍集結重兵妄圖侵占黑龍江省事發表宣言：“與此國家多難之秋，三省已亡其二，稍有人心者，莫不臥薪嚐膽，誓求危亡，雖我黑龍江一隅，尚稱一片幹淨土……爾後凡侵入我省者，誓必死一戰”。馬占山在聽取謝珂等將領關於江橋作戰情況的報告後，立即調整了部署：委樸炳珊為省城警備司令，以加強省城防衛；任王南屏為黑河警備司令，接替馬占山的遺缺；將東北屯墾軍3個步兵團、1個騎兵團、1個炮兵營編為步兵第1旅，開駐大興以南布防。其中騎兵到富拉爾基以西對景星方向警戒。至1931年10月29日，基本完成了從江橋到榆樹屯和昂昂溪的以鐵路為軸線，縱深約40公裏、寬約10公裏的三道防禦阻擊陣地布置。
原寧安公安總隊長劉萬魁率所部1000餘人，於15日在寧安以西接受整編，整編為自衛軍第五獨立團。
關東軍在張海鵬叛軍失敗之後即準備直接出兵，認為中國軍隊破壞嫩江橋是最好的借口，遂以洮昂路的修建有日本投資為理由，決定以第2師團第16聯隊的步、炮各1個大隊和1個工兵中隊組成嫩江支隊，在獨立飛行第8中隊協助下，以武力掩護修橋，來挑起事端，發動進攻。但當時日本陸軍省和參謀本部對蘇聯尚有所顧忌，因而不同意關東軍進攻。金穀範三曾電令關東軍：“為修江橋，可以出動。但如向遠離嫩江的北滿出兵，無論有何項理由，非經我批準，都不許出兵。”但當從日本駐蘇聯大使廣田弘毅口中得知蘇聯副外長加接罕已於10月29日向日本聲明蘇聯對交戰雙方都不提供任何支持、采取“嚴格的不幹涉政策”時，日本陸軍省等的態度才有所改變，轉而采取支持關東軍的態度。
1931年11月2日，本莊繁令齊齊哈爾日本特務機關長林義秀向馬占山發出最後通牒：馬占山軍在1931年11月3日正午前必須自嫩江鐵橋後撤至10公裏以外地區，在日軍修橋完竣之前不得進入該地區；如不接受上述要求，則日軍將使用武力。馬占山決定對日軍修橋不予幹涉，但如進攻中國軍隊，則采取自衛措施。
1931年11月4日上午，日嫩江支隊先遣中隊在飛機掩護下從江橋車站北進，通過嫩江橋後向大興車站以南的中國軍隊陣地進攻。是時馬占山衛隊團徐寶珍部、張競渡部共2700人奮起迎擊，將敵擊退。下午，日軍集中兵力約4000餘人，由濱本大佐指揮，在飛機坦克和重炮掩護下向江橋發動進攻。日軍先突入江橋左翼陣地，繼而向江橋正麵大興線主陣地猛攻。中國守軍奮起還擊。日軍一度突入我陣地，雙方展開白刃戰，日軍不支遂撤向江岸，遭到預伏在蘆葦中的中國軍隊截擊。此時，日軍援軍趕到，在立足未穩之際又被守軍騎兵夾擊，被迫退回。戰到20時，日軍敗退遣屍400餘具。是日夜，日軍連續炮擊後乘船百隻偷襲，待船近北岸時，潛伏在蘆葦內的中國軍隊突然開火，日軍死傷落水者眾，餘皆退回。此日中國軍隊傷亡300餘人，日偽軍傷亡1000餘人。日軍集中兵力，在飛機和炮兵的支援下連續進攻，均被守軍擊退。日軍低飛投彈的飛行員大針新一郎中尉亦被擊傷。
1931年11月5日上午，日軍集中全力再次發動進攻。戰鬥極為激烈。上午6時，日軍以數十門大炮對守軍陣地炮擊。7時，日偽軍8000餘人在大炮和飛機掩護下，日軍從中路、偽軍從左右兩路渡江。當船到江心時，中國軍隊猛烈還擊，日偽軍雖傷亡很大仍掙紮強渡。10時，日軍占領江岸第一線陣地，守軍分撤至左右兩翼陣地，日軍繼而向第二道防線大興陣地猛攻，遭到守軍頑強抗擊。中午，馬占山趕到前線指揮吳德霖團和徐寶珍團從正麵反攻，急調騎兵第1旅薩布力團從兩翼包抄日軍。從15時血戰到日暮。日本人承認：“中國軍隊用步兵及騎兵實行包圍式反攻，日軍蒙受極大之損失，而不得不向後撤退（見國聯調查團報告書嫩江橋之役）。”日軍被迫向後撤退，由進攻轉為就地防禦，其後方勤務分隊大部被我迂回的騎兵所殲滅。
此戰，中國軍隊傷亡200餘人，日軍死亡167人，傷600餘人。
當日夜，日軍第29聯隊的1個大隊前來增援，到達後立即發動進攻，但很快亦被馬占山軍所包圍。本莊繁再急調第16聯隊的1個步兵大隊和3個炮兵中隊來援。
1931年11月6日晨，日軍增援部隊到達，在飛機輪番掃射、轟炸支援下發動猛攻，試圖解救被圍日軍。當日，馬占山親自到陣地督戰。雙方傷亡均眾。日軍在馬占山軍的頑強抗擊下，攻擊受挫，進展困難。本莊繁當即又令第2師團多門二郎率在沈陽地區的第29聯隊、騎兵第2聯隊、野炮兵第2聯隊、臨時野戰重炮兵大隊、工兵中隊和混成第39旅團的1個大隊急開江橋附近增援，對守軍進行強攻並占領大興主陣地。中國軍隊拚命衝殺，白刃格鬥殺聲震天，幾次奪回失去的陣地。此日中國軍隊傷亡1850餘人，斃日偽軍2000餘人，擊落飛機1架。日軍濱本支隊幾乎被全殲，高波騎兵隊傷亡殆盡。
由於士兵連戰三日兩夜，無援軍替換，異常疲困；加之大興陣地已被摧毀，馬占山將軍下令將主力撤至距大興站18公裏的三間房第二道陣地，以騎兵第1旅與步兵第1旅重新組織防禦。
7日晨，大批日偽軍在10架飛機掩護下，向三間房南湯池猛攻。馬部張殿九旅和蘇炳文旅1個混成團趕到反攻，戰至午後將日偽軍擊退。此戰中國軍隊傷300餘人，斃傷日軍600餘人、偽軍千餘人。尤其值得稱道的是，當敵機連續俯衝掃射、狂轟濫炸而我方完全沒有高射炮火攔擊的被動局麵下，智勇雙全的將士們竟表現出了驚人的聰明才智，“以20人為一組，仰臥地上，用步槍向上射擊”，創造性地擊落了敵機一架。事後檢查其殘骸“兩翼有26個子彈洞”，是為中國對日作戰史上所擊落的第一架敵機。以此之故，在後來的戰鬥中，日本飛機再也“不敢低飛。”見日軍損失慘重，本莊繁下令多門二郎停止前進，返回原駐地。
日軍為掩蓋自己失敗的真相，散布蘇聯向黑龍江守軍提供彈藥的謠言，還以各種謊言遮掩日軍損傷數目，唯恐日本國內反戰勢力占上風。馬占山曾通電駁斥日軍謠言。
日軍在第一階段作戰中傷亡很大，為盡快打破僵局抓緊調兵遣將，極力準備再次進攻。同時通牒馬占山進行施壓，要求其立即下野、讓出權力並撤出在齊齊哈爾的中國軍隊，遭到馬占山的斷然拒絕。關東軍向日本陸軍中央部提出速增派一個師團的兵力。本莊繁下令“第2師團全力向大興方麵集結”。至11日，日軍在嫩江北岸有長穀旅團司令部、步兵第16聯隊、第4聯隊(欠第3中隊)、第29聯隊第1大隊(欠第3中隊)、騎兵第2聯隊及配屬的第28聯隊之第2中隊，野炮兵第2聯隊’(欠第8中隊)，工兵第2中隊。嫩江南岸有野戰炮兵第26聯隊第3大隊、臨時野戰重炮兵大隊等，總兵力超過3萬人。