１１月間，日本又派土肥原賢二去天津製造暴亂，再次製造出兵的借口，並乘機劫持了廢帝溥儀去東北充當傀儡。２６日夜，駐天津的日軍致電關東軍：“在天津附近，日華兩軍再次衝突，軍決定斷然行使自衛權，擊退當麵之中國軍，切望迅速增兵。”關東軍接電後，立即作出了“軍準備立即集結兵力，然後向山海關前進，救援貴軍的危急”的決定，遂令混成第４旅團（原屬第８師團，１１月間由日本調至東北，駐軍齊齊哈爾）推進到大淩河一線，第３９旅團和第２師團主力到沈陽集結，並派飛機支援地麵部隊的行動。後因準備不足，遵照日本政府的命令停止進攻，進入遼西的部隊撤至新民。
國民政府得知日軍向錦州進攻後，經與英、美、法三國商議，於１１月２５日向國際聯合會（以下稱“國聯”）提出了劃錦州為中立區的方案，提出駐錦州的中國軍隊撤至山海關，日本向該三國和國聯保證不占錦州，由國聯派官員進駐中立區監督。日本關東軍堅決不讚成將錦州劃為中立區，竟向陸軍省及參謀本部提議：如有必要設中立區的話，應設在山海關至灤河之間。這說明關東軍堅決要將中國軍隊驅逐至關內，要侵占整個東北地區。１２月初，張學良曾企圖將錦州部隊撤入關內，國民政府告誡張學良：“兄擬將錦州駐軍自動撤退，請暫從緩。”並告張：如日人進攻，“自當力排困難，期能抵禦”。
１２月中旬，關東軍以討伐遼西匪賊為名要求增派兵力。關東軍司令部製訂了《進攻錦州的方略》。日本從國內增派了混成第８旅團和１個戰車隊、１個口徑１５厘米榴彈炮大隊、１個口徑１０．５厘米加農炮中隊，從朝鮮增派了第２０師團司令部、混成第３８旅團及１個重轟炸機中隊到東北參戰。
１２月１８日，關東軍司令部根據１３日製定的《進攻錦州的方略》，又擬訂了《進攻錦州向大淩河畔進軍的要點》和《進攻錦州附近敵陣地的內定計劃》，決定分兩步攻占錦州。第一步攻占溝幫子，以控製交通線和集結兵力。第２師團由營口、田莊台沿營（口）溝（幫子）鐵路，經盤山從東麵進攻；混成３９旅團由沈陽、新民沿沈（陽）山（海關）鐵路，經大虎山從北麵進攻；混成第８旅團隨混成３９旅團前進，擔任溝幫子至新民間的警備。第二步攻占錦州。以從朝鮮調來的第２０師團司令部和混成第３８旅團（預定２９、３０日到達）及混成第３９旅團進攻錦州；第２師團為機動兵團，仍控製於溝幫子，隨時準備策應。預定２８日開始行動。
在準備期間，第２師團以“剿匪”為名義，令第３０聯隊的步、炮兵各１個大隊攻占田莊台，以其為進攻出發地；令野炮兵第２聯隊及第１５旅團派出小部隊，對牛莊、三岔河、盤山等地進行戰鬥偵察。該師團與中國軍隊、當地民眾義勇軍不斷發生小規模的戰鬥。
１２月２８日，日軍第２師團在飛行隊的配合下，沿營溝路進攻溝幫子，沿途遭到東北軍和民眾義勇軍的抵抗和裝甲列車的炮擊，於３１日進抵溝幫子；混成第３９旅團於３０日晨由新民、沈陽乘火車出發，沿途僅遭輕微抵抗，於當日到達大虎山，３１日到達溝幫子；混成第８旅團亦於３０日由沈陽乘汽車西進，３１日到達大虎山，沿鐵路派出了警備部隊。日機在掩護地麵部隊前進、轟炸溝幫子附近的裝甲列車時，被擊落１架。
錦州地區的東北軍在日軍進攻時既得不到支援，又恐被日軍從塘沽或秦皇島登陸切斷退路，遂於１９３１年１２月２９日開始向關內撤退。１９３２年１月３日晨全部撤出錦州，至灤縣地區集結。當日下午，日軍占領錦州。
日軍占領錦州後，迅即占領遼西其他地區，直逼長城之下。爾後又重新調整部署，作下一步攻取哈爾濱、侵占東三省特區的準備。
哈爾濱保衛戰
哈爾濱為東北門戶，是北滿的政治、經濟、文化中心。這裏既是中蘇共管的中東鐵路的樞紐，又是華洋雜處的國際市場。該市是東三省特別行政區署所在地（道裏為東三省特區所屬，道外為吉林省所屬）。“九一八”事變後，日軍一度想進攻哈爾濱，但日本政府擔心蘇聯的幹涉而遭到陸相南次郎的阻止。日軍侵占齊齊哈爾後，抵近蘇聯國境。由於蘇聯外交人民委員李維諾夫向日本重申實行不幹涉政策，因而助長了日本的侵略氣焰。
哈爾濱特區行政長官張景惠於９月２７日宣布成立“東省特區治安維持會”，自任會長，叛國投敵，並利用日軍供給的大批軍火，招募偽特區警察部隊，擴充武裝力量。
同年１１月，以誠允為主席的吉林省抗日政府在賓縣、以馬占山為主席的黑龍江抗日政府在海倫相繼設署辦公，極大地鼓舞了吉、黑兩省人民的抗日鬥誌。日本關東軍為進攻哈爾濱，首先要以武力“討伐”抗日武裝。１９３２年１月，由降日的原吉林省軍編成的偽軍，在叛國投敵、被日軍任命為“吉林省剿匪司令”的原東北軍騎兵第１６師師長於琛澄率領下開始“討伐”吉林省抗日政府。１月１６日，於部偽軍在榆樹被東北軍第２５旅擊潰。２７日，偽軍在南崗、三棵樹地區又遭到李杜、丁超等部的反擊，前後傷亡７００餘人，進攻受挫。於是關東軍決定直接出兵。
１９３２年１月２８日晨，本莊繁在得到參謀本部同意派兵“護僑”的複電後，立即命第３旅團長穀部照率第４聯隊、炮兵大隊及坦克２輛，從長春乘火車去哈爾濱“護僑”。當日本海軍陸戰隊在上海發動“一二八”事變後，國內外視點都集中在上海。日軍想利用這個機會侵占哈爾濱，於是參謀本部急令關東軍增加兵力攻占哈爾濱。
本莊繁於２９日下達作戰命令：第２師團向長春集結，爾後以車運至哈爾濱；混成第４旅團一部，從齊齊哈爾以車運至安達、肇東，從哈爾濱北麵策應第２師團作戰；關東軍飛行隊第１、第３、第８、第９中隊掩護第２師團集結、開進和進攻。
長穀部率第４聯隊從長春乘火車出發。由於鐵路多處被東北軍破壞，２９日拂曉，其列車到達鬆花江南岸的老哨溝一帶時即受到東北軍的攻擊。日軍立即改為攻擊前進，在不斷遭到阻擊的情況下，於當晚進至三岔河以北的石頭城子村。
在吉林抗戰的東北軍各部為了統一指揮、抗擊日軍的進犯，於１月３１日組成了吉林自衛軍。眾將領推舉李杜為總司令。自衛軍的編組如下：
吉林自衛軍總司令李杜
中東路護路軍總司令丁超
前敵總指揮王之佑
總參謀長楊耀鈞
第２２旅旅長趙毅
第２５旅旅長馬憲章
第２６旅旅長宋文俊
第２９旅旅長王瑞華
暫編第１旅旅長馮占海
騎兵第１旅旅長宮長海
騎兵第２旅旅長姚殿臣
山林遊擊隊統領宋希曾
日軍在三岔河遭到重創，並知吉林自衛軍成立後，一麵修路準備再犯，一麵由關東軍總司令本莊繁致函自衛軍，稱“蘇俄政府並不反對該軍使用中東路運輸部隊，請丁、李對局勢放大眼光，抵抗無益”，企圖逼丁、李放棄抵抗。
１月３０日，向哈爾濱進犯的關東軍第３旅團長穀照部於當晚８時進抵雙城車站。當時第２２旅趙毅部正在此設伏。日軍先頭部隊軍車２列到站後，日軍下車集結，準備部署對哈爾濱的進攻。設伏部隊乘敵架槍吃飯、毫無準備的有利時機，突然從三麵發起攻擊，以猛烈的火力將敵壓迫於站台上下，繼而以刺刀、手榴彈與敵展開白刃戰。日軍措手不及，死傷甚重。３１日天亮後，第２２旅部隊方撤離戰場。日軍被迫停止待援，並修築了臨時前進機場。
雙城失守，哈爾濱門戶洞開。自衛軍將大部兵力配置於哈市城南及東南、西南的顧鄉約屯、病院街、舊哈爾濱城、拉拉屯一線。日軍第２師團各部於２月３日先後到達葦塘溝河地區。４日下午，日軍展開於鐵路兩側的顧鄉約屯以南、永發屯、楊馬架一線，第３旅團在鐵路以東，第１５旅團在鐵路以西。炮火準備後，日軍發起攻擊。吉林自衛軍利用工事和村莊房屋頑強抵抗，炮兵集中火力對進攻的敵軍實施殲滅射擊，殺傷了大量敵人。日軍攻擊頓挫，轉為就地防守。
２月５日拂曉，自衛軍開始反擊，首先以炮兵實施火力準備，對鐵路以東的日軍第３旅團陣地集中射擊，爾後步兵開始出擊。第一線日軍陷於苦戰困境。第２師團長多門二郎急令炮兵對反擊的自衛軍實施攔阻射擊，並將坦克隊和預備隊投入反擊。飛行隊的４個中隊從雙城臨時前進機場起飛，輪番轟炸、掃射，以支援地麵部隊作戰。戰鬥異常激烈，雙方傷亡均眾。由於自衛軍沒有空軍支援，日軍飛機威脅甚大，於５日下午全線撤至哈爾濱以東地區。日軍侵占哈爾濱後，沿中東路向東進犯，於３、４月間相繼占領了哈東的海林、寧安、方正等要地。
哈爾濱的淪陷標誌著在東北三省的抗日政權和東北軍的瓦解，以東北軍為主體的抵抗活動趨於消沉，代之而起的是各地義勇軍的抗日鬥爭。