日军侵占辽宁、吉林两省大部分城市后，立即部署进攻黑龙江，实施进攻东北第二阶段的计划。

黑龙江离日军控制远，靠近苏联，苏联有很多利益在黑龙江，日军不敢直接进攻，而是利用投降的伪军，玩弄以华制华的花招。（1931年）9月下旬，收买张海鹏，送给大量枪支弹药和现金，后又任命他为黑龙江“伪省长”，唆使他进犯黑龙江。张海鹏得到日本人的利益后，立即扩军备战，积极准备进犯黑龙江。

当时黑龙江省省长万福麟在北京，黑龙江事务由其儿子万国宾代理。万国宾虽然才能平庸，但能启用坚持抗战的参谋长谢珂，积极组织抵抗，并致电张学良：建议由马占山或苏炳文中选一人负责黑龙江军政事务，虽然后来日军进攻时连夜逃往哈尔滨，但在战前，表现也可圈可点。

黑龙江省会齐齐哈尔，省会南面的江桥是昂南铁路（昂昂溪到洮南）跨越嫩江上的必经之路，系南北交通要冲。日军要进犯省城齐齐哈尔，必先夺取江桥。

谢珂令满洲里、黑河、海拉尔等边境部队积极补充，随时回援齐齐哈尔，派一个团前出到江桥以南的泰来，向洮南方向警戒，掩护后方部队在江桥构筑工事。派一个团配属炮兵营、工兵连、辎重连守卫江桥北岸，在江桥南岸布设雷场。

10月16日拂晓，伪军徐景隆率3个团抵达江桥南端，准备偷渡嫩江。守军发现后，立即开炮迎击。混乱中徐景隆触雷身亡，伪军顿时失去指挥，守军趁机全线出击，伪军三个团全部溃散，到江桥以南地区才收拢部队，扎营与守军对峙。

为了阻止日军过桥北犯，守军将江桥破坏3处桥孔。得知江桥被破坏，日军以修建昂洮铁路有日本投资为由，准备以武力修桥。

16日，马占山被张学良任命为黑龙江军政负责人。上任后，立即调整部署：在江桥以北建立三道防线，从南向北依次是大兴以南、三间房、昂昂溪。派3个步兵团、一个骑兵团、一个炮兵营加强第一线。另以骑兵驻扎昂昂溪西面的富拉尔基，掩护主阵地西面。到 10 月 29 日，完成了从江桥到昂昂溪和榆树屯纵深约 40 公里、宽约 10 公里的三道防御阵地。

日本原担心在黑龙江作战会引起苏联干涉，当获得苏联将采取“严格的不干涉政策”后，立即部署日军直接进攻。

日军以步兵、炮兵各一个大队（大队相当于中国的营）和一个工兵中队（相当于中国的连）组成嫩江支队，以飞机掩护武力修桥。11月4日上午，日军嫩江支队前锋通过江桥后向守军前哨阵地进行试探性进攻，被击退后退回出击阵地。

下午，日军集中约4000余人，在飞机坦克和大炮掩护下大举进攻。日军先突入守军左翼阵地，继而主力向江桥正面阵地猛攻，日军一度进入主阵地，双方展开白刃战。守军顽强抵抗，勇猛出击，将日军逐出阵地并压迫到嫩江岸边，预伏在芦苇中的中国军队乘机从侧面截击日军。此时，日军援军赶到，但还没展开队形，中国骑兵赶到，立即从左、右两面夹击日军。战至晚上8时，日军全部退回江桥南岸。

当日夜，日军连续炮击后，乘船偷渡，当船到达北岸时，潜伏在芦苇中的中国军队突然开火，日军大量死伤落水，其余逃回南岸。

4日一战，中国军队以逸待劳，歼灭大量日军，自身伤亡 300 余人，日伪军伤亡 1000余人，连低飞投弹的飞行员大针新一郎也被击伤。

11月5日，日军集中全力再次发动进攻，战斗极为激烈。上午6时，日军以数十门大炮对守军阵地炮击，1个小时后，日伪军共8000 余人开始渡河。船到江心时，守军猛烈还击，日、伪军大量落水，但仍然挣扎强渡。10时，日军渡河成功并占领江岸前沿阵地，守军分撤至左、右两翼阵地，日军继续向大兴的主阵地猛攻，遭到守军顽强抵抗。马占山赶到前线，命令2个团从正面反攻，另派2个团分别从左、右两翼迂回到日军侧后，将其包围。日军被迫由进攻转为防御，双方从15时血战到日落，日军后方的勤务分队大部分被迂回部队歼灭。

当日夜，日军一个大队前来增援，到达后立即发动进攻，但很快被中国军队包围，日军关东军司令本庄繁急调部队解围。

6日晨，日军增援部队到达，在飞机连续扫射下，立即向中国军队发动猛攻，试图解救被围日军。中日军队反复冲杀，战况非常激烈，双方都伤亡惨重。危急时候，马占山亲自到前线督战。在中国军队顽强抵抗下，日军攻击受挫，进展困难，本庄繁立即调大量部队增援江桥，共计有1个步兵联队（相当于中国的团）另一个步兵大队，两个骑兵联队，2个野炮联队，1个重炮大队。日军得到增援后，立即对大兴主阵地发动强攻，中国军队拼命冲杀，双方多次展开白刃战，大兴阵地多次易守。此日一战，中国军队伤亡 1800 多人，日伪军伤亡 2000 余人。

由于士兵连续战斗三天两夜，没有援军替换，异常疲惫，加之大兴主阵地已被摧毁，马占山下令将主力撤到三间房的第二道阵地，重新组织防御。

7日晨，大批日伪军在 10 余架飞机掩护下，向守军设在汤池的前哨阵地猛攻，守军1个混成旅团赶到后立即反攻，战至午后，将日军击退。日军由于损失惨重，本庄繁下令停止前进，返回出击位置休整。

7日晚，马占山召开军事会议，研究敌情并调整部署，在三间房南面的汤池增设一道阵地，三间房、昂昂溪的阵地不变，原在一线部队调到第二、三线守卫，原没参加战斗的部队守卫第一线。

日军由于前期作战伤亡太大，守军阵地久攻不下，为尽快打破僵局，遂调集更多部队到江桥前线，到 11 日，江桥南、北两岸日军达到 3 万余人。

12日，日军小部队开始向汤池的前沿阵地进攻，守军稍事抵抗后，即撤向主阵地。13 日晨，日军开始向守军主阵地进攻，战至午夜12时，日军除占领乌诺头外，没有任何收获。

14日晨，日军先以飞机、大炮扫射、轰击，掩护步兵在正面进攻汤池。10时，日军派出2000余人分成左、右两路从侧面同时向汤池夹攻。守军且战且退，引诱日军北进。至15日晨，守军两个骑兵团突然出现在日军左、右两翼的外侧，对日军形成反包围，和正面部队一起发起反攻。日军猝不及防，仓皇后撤，守军一举收复失地。此战守军收获颇多，缴获炮2门，马70匹，毙、伤、俘日军 500 余人，伪军伤亡及弃械逃亡达2000人。

16日11时，日军继续向汤池主阵地猛攻，守军奋力抵抗，双方战至下午 15 时，日军被击退，双方都伤亡惨重。此时，日军已无力发动进攻，本庄繁令混成39旅团除留两个中队在沈阳外，其余全部增援江桥战场，并令前线部队暂时休整。

17日晚22时，得到增援的日军分三路向守军进攻。守军虽连战数日，已经疲劳不堪，但面对强敌仍然竭死抵抗，打退日军十余次进攻。战至翌日凌晨，守军战壕多被毁坏，团、营阵地被切断数十处，难以扼守，遂撤往三间房的第二道阵地。

占领第一道阵地后，日军稍事休息，立即进攻守军第二道阵地。18日6时30分，日军飞机和炮兵先向三间房一线阵地轰击1个小时，守军还以炮击，双方炮声隆隆，震撼整个朔北荒原。8时许，日军在坦克支援下开始大规模进攻，小幅受挫后，于9时20分继续进攻。至10时30分，守军左、右阵地全部失守。日军得手后，立即集中兵力进攻主阵地。战至14时，日军一个联队的援军从三间房西侧加入战斗，15时，日军又增加飞机12架、坦克12辆、大炮30余门。守军阵地全被摧毁，面对猛烈的炮火和大量敌人，守军毫无惧色，与敌拼死搏斗，喊杀之声惊天动地。

守军由于长期战斗，伤亡逐渐加大，没有任何休息补充，粮食已经断绝，弹药也将用尽。而日军则源源不断的的得到补充和增援，敌强我弱的局面日趋严重。为避免无谓牺牲，马占山于18日下午无奈撤出战斗，指挥部队向北撤离。日军随即跟进，于19日占领齐齐哈尔，江桥之战结束。

江桥抗战时九一八事变以来，在国民党不抵抗政策下，中国军队有组织、有领导的抗击日本侵略者的第一枪。江桥抗战多次击溃日军，击毙、击伤大量日军，重重打击了日军的嚣张气焰，大大增长了中国人民的抗日信心，有力推动了全国抗日救亡运动的发展。