柳条湖事件后，日军收买了原洮辽镇守使张海鹏。1931年10月1日，张海鹏自称“边境保安司令”，宣布脱离张学良。于是，日军便利用张海鹏部伪军充当进窥齐齐哈尔的前锋。当张部伪军临近嫩江时，黑河警备司令、步兵第3旅旅长马占山，奉张学良之命统率黑龙江的军队，并代理省主席职务。
1931年10月13日，张海鹏军开始发动进攻，被马占山部在嫩江桥击溃。日军遂决定直接出兵。30日，关东军以第2师主力一部组成“嫩江支队”，集结于泰来附近。11月4日，日军嫩江支队掩护张海鹏伪军向马部进攻。马占山部奋起反击，嫩江支队死伤数百人。但最终由于中国守军装备劣势，并且在日军重新增援下，19日马占山等率中方军政人员退出省城齐齐哈尔。继而再退海伦、克山一带，组织临时政府。19日晚，日军进占齐齐哈尔。
至此，日军并未停止军事行动，继而南下辽西，完成对整个南满的占领。辽、吉两省沦陷后，中国东北边防军司令部长官公署、辽宁省政府行署，迁往锦州。9月23日，张学良任命张作相代理东北边防军司令长官，米春霖代理辽宁省政府主席。
锦州地处辽西，是北宁、锦朝两铁路的汇合点和榆关(山海关)的屏障，战略地位十分重要。日陆军参谋部认为：“只有消灭锦州附近的张学良势力，才能有希望解决满洲事变。”他们将攻占锦州视为巩固其占领东北的最后措施。
10月8日，日军曾派飞机轰炸锦州。20日又派伪军凌印清部进攻锦州，被中国边防军击溃。11月27日，关东军令第2师主力和混成第39旅到沈阳集结；令混成第4旅进到大凌河一线，掩护主力开进。当日，该部越过大凌河，向中国守军发动进攻，被阻于大虎山、沟邦子一线。日本当局唯恐引起国际上的反对，于28日命令关东军撤出辽西。
12月上旬，日本成立犬养毅内阁。犬养内阁采取了较其前任更加积极支持军部的政策。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，关东军制定《锦州攻击方略》，决定由北向南直取锦州。17日，日军参谋总长金谷范三批准了关东军进攻锦州作战计划，并向东北增派部队。到27日，至此，日军攻击锦州的总兵力已达4万人以上，摆出了空前未有的大会战态势。由于中国军队受国民政府不抵抗政策的约束，加之又得不到政府的支持，因而缺乏抗战守土的决心。1932年1月3日，日军不战而占锦州。
日军占领锦州后，迅速回师北上，重返北满，进攻哈尔滨。当时哈尔滨附近的中国军队，日军引以为患。日本经过多方试探，在确认苏联将采取“不干涉”政策后，参谋部始于1932年1月28日批准关东军向哈尔滨进军。在哈尔滨郊外，中国守军同装备有飞机、坦克、装甲车的日军展开激烈的保卫战。但由于事先未做御敌准备，缺乏防御工事的中国军队，在日机轮番轰炸和坦克横冲直撞的强大攻势下，伤亡极大。1932年2月5日，哈尔滨沦陷不久，宾县吉林省政府和海伦黑龙江省政府亦不复存在。
至此，在短短的4个月零18天的时间里，整个东北100万平方公里的土地和3000万同胞陷于日本帝国主义的铁蹄之下。