針對日軍的調兵遣將，1931年11月7日晚，馬占山主持召開軍事會議，研究應敵措施並確定調整部署，重新設置三道防線。第一道防線在湯池、烏諾頭、新立屯一帶，其前線陣地在後依裏巴、前官地、後官地等地，由騎兵第1旅吳鬆林部兩個團防守。14日後騎兵第2旅程誌遠部全部投入湯池等地戰鬥。第二道防線在英老墳、三間房、大興屯、小興屯、霍托氣等地，是黑軍正麵防禦的主陣地，由暫編第1旅苑崇穀部4個團、步兵第2旅吳德林團、步兵第3旅李青山團、騎兵第1旅王克鎮團、樸炳珊炮兵團，還有工程兵等保障分隊防守。14日後，步兵第1旅孫洪裕團和綏化保安大隊2000人加入正麵防禦作戰。第三道防線在朱家坎、富拉爾基、昴昴溪、榆樹屯等地，由步兵第1旅張殿九部2個團、騎兵2旅全部和衛隊團防守。總兵力1。3萬餘人。
三間房是洮南至昴昴溪鐵路線上的一個車站，北距齊齊哈爾70裏，南距嫩江橋60裏，是中國軍隊保衛黑龍江省省會的重要防禦陣地。日軍要侵占黑龍江省必占三間房才能直達齊齊哈爾。因此，爭奪三間房就成江橋之戰第二階段的焦點。
1931年11月12日上午，日軍先頭部隊步騎兵500人向馬占山部前沿陣地前官地、後官地、張花園進攻，守軍吳鬆林部奮起抗擊。戰至13時，陣地被日軍占領，守軍600餘人撤向第一線陣地。
1931年11月13日晨5時，日軍500餘人在兩架飛機配合下，向新立屯進攻，遭到守軍反擊，戰到10時，被守軍擊退。當日中午，被炸壞的嫩江橋修複，為日軍大規模進攻提供了有利條件。中午，關東軍司令本莊繁第三次下達增援令：“將第2師團剩餘部隊及混成第39旅團的步兵3個大隊，及救護班派往大興附近”，並令第2師團長多門中將一並指揮嫩江支隊。日軍大本營急增3個飛行隊至黑龍江省，並把準備在大連登陸的第4混成旅團改在朝鮮釜山登陸，進快進抵黑龍江。下午，日軍步騎兵3000餘人在炮兵配合下向湯池、烏諾頭、新立屯發動猛攻。守軍奮起抵抗，戰至午夜12時，日軍占領烏諾頭。
1931年11月14日晨日軍在兩架飛機和重炮掩護下向湯池陣地猛攻，被馬占山部擊退。10時許，日軍2000餘人在長穀指揮下，分步、騎兩支部隊，采用大包圍的戰術，從左、右兩個方向攻擊湯池，馬軍且戰且退，激戰至15日晨，日軍攻至拴馬。馬占山早已令兩個騎兵團悄悄包抄敵兩翼，一聲令下，正麵衛隊團首先衝入日軍陣地，騎兵團從兩翼呼嘯而至，日軍倉皇撤退。馬占山部繳獲炮2門、馬70匹；斃日軍300，俘獲200，偽軍傷亡及攜械逃亡者2000餘人。守軍為增強防禦力量將綏化保安大隊2000人編為獨立團，加入正麵陣地。15日，本莊繁奉日本陸相南次郎命令，再次向馬占山提出馬軍撤出中東鐵路以南，該區由洮昴局管理，馬不得妨礙等三項要求，被馬占山拒絕。
1931年11月15日晨7時30分，日軍第2師團司令多門中將率師團主力到達大興前線。
1931年11月16日11時，在10架飛機和重炮、坦克支援下，日軍步騎兵4000人，向新立屯、三家子等陣地發動猛攻。守軍奮力抵抗，戰至15時，將日軍擊退。雙方傷亡慘重。17日10時10分，本莊繁接到陸軍參謀總長關於“向齊齊哈爾以北推進。盡力以果敢行動使敵陷於潰滅”的指令，下令第2師團“一舉攻占齊齊哈爾”。又令混成第39旅團除1個步兵中隊和工兵中隊外，“將其餘部隊調集大興，人列於第2師團長指揮”。13時，多門師團長在後衣裏巴列車內向日軍各部隊下達了向黑軍全麵進攻(重點進攻三間房)的命令。
1931年11月17日22時，得到補給增援的日軍兵分三路，向馬部陣地展開狂攻。右翼部隊在天野指揮下，從烏諾頭出發向新立屯一帶左翼陣地進攻。守軍吳鬆林旅雖連戰數日疲憊不堪，但麵對數倍強敵仍竭死抵抗，打退日軍進攻十餘此。戰至日淩晨，守軍戰壕多被毀壞，各團、營陣地被切斷數十處，難以扼守，遂退往大興屯一帶第二道陣地。17日22時40分，日軍左翼部隊在長穀指揮下，向湯池一帶右翼陣地進攻。守軍程誌遠旅與之殊死奮戰。翌日2時，日軍增加攻擊力量，以坦克8輛、大炮30餘門，肆恣猛擊，守軍難支，遂撤向三間房主陣地。
1931年11月18日淩晨3時，日軍集結各部按預定部署進至待擊地域。6時30分，飛機和炮兵先後向三間房一線陣地轟擊1小時，守軍以炮還擊，彼此炮聲隆隆，震撼整個朔北荒原。彼時日軍重炮射程30公裏，馬軍重炮射程15公裏，吃虧不小。8時許，日軍在坦克掩護下開始總攻。守軍奮力抵抗，日軍進攻受挫。9時20分，多門下令預備隊增援，又發動瘋狂進攻。戰至10時，守軍右翼部隊雖浴血對抗，卻難固守，便退至昴昴溪。10時30分，守軍左翼陣地小興屯失守，部隊且戰且退至紅旗營子、榆樹屯一帶。此時，長穀指揮步、騎兵在飛機、坦克配合下向三間房主陣地進攻。守軍苑崇穀旅及張殿九旅頑強抗擊。14時，日軍第39混成旅團續到一個聯隊從三間房西側三家子加入戰鬥。並與正麵進攻的長穀旅團，全力夾擊。15時後，日軍又增加飛機12架、坦克12輛、大炮30餘門，以猛烈炮火，將戰壕全部摧毀。馬軍由於糧食倉儲地被日機炸毀，守軍“不得飲食，疲餓過甚”。空腹苦戰的中國守軍麵對數倍之敵毫無懼色，與敵拚死肉搏，喊殺之聲驚天動地，三間房一帶的戰事更是徹夜未停。盡管中國軍同仇敵愾，個個“奮勇異常”，但連續鏖戰，很多士兵幾日未睡，糧食斷絕，得不到任何增援。當時使用的彈藥係黑龍江守軍長期庫存，很多因發黴而不能用。在侵略軍源源不斷地得到大量補充和增援的情況下，敵強我弱的局麵日趨嚴重。加之陣地被毀，“實在無力支持”下去。18日下午，馬占山將軍不得不痛苦地下令撤出戰鬥。19日，日軍5000餘人侵占齊齊哈爾，江橋之戰結束。
據日方記載，日軍第二師團進攻江橋的參戰總人數約5900人，傷亡（含凍傷）達1181人（一說1378），占其總人數的２０%。又據日軍統計，馬占山軍參加江橋抗戰的總人數約為11800人，傷亡約1100人。
違反蔣介石不抵抗命令的江橋抗戰打響了武裝抗擊日本帝國主義侵略中國的第一仗，以鮮血和生命在中國人民抗日戰爭史上寫下了光輝的一頁，對全中國人民的抗日救亡鬥爭產生了重大的政治影響，有力地推動了全國人民抗日救亡運動的發展。全國各地愛國誌士紛紛譴責蔣介石的不抵抗主義，譴責國民政府對東北淪亡熟視無睹的行徑，要求國民政府“下令全國動員，對日決一死戰，以保國家之尊嚴，民族之人格”。全國抗日救亡運動在江橋抗戰影響之下掀起高潮，東北人民抗擊日軍的鬥爭風起雲湧，抗日烽火迅速燃遍了白山黑水間。
１９３１年９月１９日沈陽淪陷。９月２０日日本侵略者改遼寧省為奉天省，改沈陽市為奉天市，由日人土肥原賢二任市長。遼寧省省長臧式毅等與熙洽、張景惠沆瀣一氣，積極從事出賣祖國、組織傀儡政權的活動。
９月２３日，張學良發出通電，嚴正聲明：“東北邊防軍司令長官公署行署及遼寧省政府均不能行使職權，茲在錦縣暫設東北邊防軍司令長官公署行署及遼寧省政府行署，著以張作相代理東北邊防軍司令長官……”以示東北三省政權依然存在，不承認日本帝國主義炮製的傀儡政權組織。９月２７日，遼寧省代主席米春霖從北平赴錦州組織行署。
錦州僅次於沈陽、安東，為遼寧的第三大城市，是東北通往華北的咽喉，北寧、錦朝兩路在此交會，戰略地位極為重要，奪取了錦州，就獲得了進一步西侵熱河、平津的重要戰略基地。日軍在侵占沈陽、長春、齊齊哈爾後，錦州便成為日軍進攻的下一個目標。張學良在此設東北邊防軍司令長官公署行署及遼寧省政府行署，不僅對在東北堅持抗日作戰的東北軍和廣大的民眾是巨大的鼓舞，而且對步步進逼的日本侵略者是一個威脅。
但是，錦州附近的東北軍已不足三萬，主要有原駐通遼的騎兵第三旅張樹森部，駐洮南的步兵第二十旅常經武部，錦州駐軍步兵第十二旅張廷樞部，駐盤山的步兵第十九旅孫德荃部，另有遼寧警務處公安騎兵三個總隊熊飛部。
日本關東軍為了摧毀東北軍的指揮機關，早在１０月８日即以飛機１１架對錦州轟炸，投下２５公斤重的炸彈７５枚。在此前後還多次派飛機空襲溝幫子、打虎山車站。日軍又指使漢奸淩印清、張學成等組織所謂“東北自衛軍”，但淩印清、張學成的漢奸武裝先後被警備處長黃顯聲派騎兵公安總隊殲滅。日本的陰謀未能得逞。