1931年9月18日晚11时15分，日本关东军借柳条湖事件开始进攻沈阳北大营和沈阳城。驻沈阳奉军第七旅第六二〇团被迫自卫抵抗，突围后撤退到东山咀子集结待命。关东军一万余人于8小时内，占领沈阳城、军营、兵工厂、飞机场，劫获中国兵工厂存储步枪8万支，机枪4000挺，飞机200余架。日军向北继续推进，长春地区东北军自发反击。9月20日，关东军占领长春，9月21日占领吉林省城，吉林省政府主席熙洽投降。日军继续扩大占领区，至9月23日完全占领辽宁、吉林两省，随即着手谋取黑龙江省。[30]
1931年10月10日，原黑河警备司令兼步兵第三旅旅长马占山被张学良任命为代理黑龙江省主席兼代东北边防军驻黑龙江省副司令官，谢珂为军事副指挥兼参谋长。10月20日在省会齐齐哈尔宣誓就职，并于22日发表对日抵抗宣言，“凡侵入我境者，誓决以死战”。
正规作战
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明信片《锦州方面活跃的皇军的威力》
参见：黑龙江战役
1931年11月上旬，在中国东北齐齐哈尔南嫩江桥地区爆发的江桥抗战是九一八事变后中国军队第一次有组织的大规模地抗击日本军队的阻击战，被认为是中国抗日战争的首战。从11月4日至11月18日，东北边防军1个步兵旅、2个骑兵旅、3个步兵团、1个炮团、连同原有的警卫队团等，共约1.6万余人击毙日本关东军2000余人后，被迫撤退。11月19日，日军占领齐齐哈尔。马占山率部沿齐克路撤往克山、拜泉、海伦一带集结。[31]
1931年12月初，关东军渡过辽河开始进攻辽西地区。1932年1月3日，日军第20师司令部率混成第38旅占领锦州，而驻锦州东北军第十二旅、第二十旅和骑兵第三旅已奉命撤退至河北滦东地区和热河。[4]
哈尔滨保卫战从1932年1月25日开始，到2月5日结束，大体可以划分为三个阶段：第一阶段从1月25日到28日，主要是伪军于琛瀓部对哈尔滨的第一次进攻；第二阶段从1月29日到2月2日，即通常所说的双城保卫战；第三阶段从2月3日到5日，哈尔滨城市攻守战阶段。[32]
游击战
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1932年2月7日，马占山归顺关东军，此后就任黑龙江省省长，借机筹集了一部分军费和军事物资。4月12日，马占山通电全国，成立黑龙江抗日义勇军，宣布抗日到底。1932年6月，日军集中兵力攻击，战斗持续至7月底。马占山带领几十名人员进入深山老林，义勇军总参议韩家麟少将及全体官兵殉国。[33]
自1936年起，东北抗联在中国共产党领导下在黑龙江、吉林、辽宁3省和内蒙东部地区进行游击战。相继进行子莲花泡、兴山镇、舒乐河、大蒲柴河、哈达河、抚松、西关街、佛山、冰趟子、依兰、汤原、五道岗、辉南等许多重要战斗和反讨伐作战[34]。据黑龙江省抗日战争研究会统计，东北抗日联军对日作战次数约10余万次。据日伪统计机关统计：1935年39105次，1936年3617次，1938年13110次，1939年6547次，1940年3667次。日伪军伤亡人数，据抗联第二路军总指挥周保中将军推算：1931~1937年抗联歼敌103500人，1937~1945年歼敌82700人，共计186200人。[25]
1938年，冀东大暴动后，许多由共产党领导的抗日武装活动在满洲国的南部边境，并在李运昌等人的指挥下逐渐向东北地区扩张，建立了一批游击根据地，并设立承平宁联合县等地方抗日政权，多次袭击日伪军部队和据点。到1945年夏，根据地已扩张到赤峰与锦州边界。
1945年8月，日本宣布投降。冀东及长城以北的八路军迅速向东北进军，在苏军配合下攻克了山海关、锦州、绥中等城镇，歼灭日伪军数万人，解放东北全境。后多次发动肃清作战，消灭了在东北的日伪残余势力。