1932年1月3日,日军占领锦州后，开始将注意力集中到哈尔滨。其实，早在1931年11月中旬，日军占领齐齐哈尔以后，就已经在策划占领哈尔滨事宜，但哈尔滨的特殊情况，还是让日本方面多少有所顾虑。
哈尔滨是东省特别行政区官署所在地，是中苏共管的中东铁路的总枢纽，是华洋杂处的国际城市，也是北满的政治、经济中心。鉴于哈尔滨特殊的地位，日军在占领吉林等地后，并未立即出兵夺取，而采取谨慎态度。日方开始与苏联方面频频接触。在此期间，日方一方面在与苏联外交接触，另一方面又故伎重演，首先利用汉奸为其打前仗。
日本首先利用东省特区行政长官张景惠。张景惠是张作霖当年的老搭档，资格老，地位高，日本方面很早就注意到张景惠，认为张可以为其效劳，张也甘心为虎作伥，充当日本的走狗。
九一八事变当天，张景惠在沈阳自己的公馆里，张学良、张作相、荣臻登东北军政要员的住所均遭到日军的洗劫，唯独张景惠的公馆不但没有被洗劫，而且日军还派兵为其轮流守卫。张景惠感激涕零，在公馆门前和自己专车上，悬挂日本国旗，表示对日本的拥护。
9月22日，关东军参谋板垣征四郎秘密拜访张景惠，张答应回哈尔滨后，将宣布"独立"，并且保护日本侨民生命财产等的安全。作为报答，板垣对张供应步枪3000支，子弹4万发和部分重型武器。24日，张景惠乘火车返回哈尔滨。27日，宣布成立"东省特别区治安维持会"，张景惠自任会长。30日，张景惠以维持地方治安为由，招募特区警备队约3000人，以扩充自己实力。
但是，这时张景惠还不敢公开投向日本，因为哈尔滨还有吉林边防军代理副司令李振声、东铁护路总司令兼第二十八旅旅长丁超、二十六旅旅长邢占清等部，都要求抗日，马占山也准备抗日，这些都迫使张景惠不敢过早亮出投降日本的真面目。
除了张景惠之外，日本还有另一个可供驱使的汉奸，即于琛征。于琛征，黑龙江人，原是东北军的骑兵师师长，后因失职而被降职，心怀积怨，九一八事变后迅速投敌，被日军擢升为吉林"剿匪军司令"，拼凑伪军。在日军授意下，1931年1月，于琛征所部大举北进，企图进犯哈尔滨。哈尔滨形式陡然严峻，在此关口，依兰镇守使李杜等率部进驻哈尔滨，与丁超等人合作成立"吉林省自卫军总司令部"，推李杜为总司令，并号召全体军民一体抗战。于琛征一方面率其主力继续北上，一方面派其所属刘宝林旅率进兵双城。
双城是哈尔滨门户，地理位置很重要。驻守双城的赵毅所部官兵，已有准备。2月1日凌晨，赵毅率部轻装奇袭进驻双城以东十里铺的刘宝林旅，一举将其击溃，刘宝林带着小股人马逃脱，其余700多人被俘。这时，日本与苏联的外交接触已经告一段落。苏联出于自身利益考虑，根据东北形势，重申实行"不干涉主义"，并提议缔结苏日互不侵犯条约。
在确认苏联态度后，同时，眼看于琛征所部伪军一时无法为其占领哈尔滨，日本开始直接出兵哈尔滨。1932年1月27日，日本关东军司令本庄繁借口在哈尔滨有四名日本籍人和一名炮兵大尉清水被*，扬言关东军必须出兵保护在哈尔滨的5500名日本侨民。28日，日本参谋本部批准了关东军向哈尔滨出兵的计划。同日，关东军第3旅由长春向哈尔滨进犯，同时从辽西地区调第2师增援，同时，为了转移国际社会对满洲的关注，日本在国际大城市上海挑起事端，引发了一二八事变。
30日黄昏，日军进抵双城附近。2月1日，赵毅所部已经准备就绪，准备在双城车站伏击日军，晚8时许，夜幕降临，两列载满日军的列车开进车站，日军下车，烤火取暖。这时，赵毅部出其不意，乘敌不备，从三面发起攻击，打得日军措手不及，死伤数百人。
2月2日，日军陆空部队，配备装甲车、坦克及飞机20多架，驰援双城，已优势兵力向中国守军发起进攻。在敌人猛烈炮火攻击下，中国守军伤亡惨重，团长吴永和等20多名爱国军官壮烈殉国，士兵伤亡六百余人。很快，双城失守，赵毅所部退往哈尔滨。
1932年1月，汉奸于琛征说不伪军主力在向哈尔滨进犯过程中，击败驻防榆树、拉林的张作舟、冯占海部，北上至阿城，进兵到哈尔滨近郊。这时，驻守哈尔滨的东北军各部，人数总共约1万5千人。在吉林省自卫军总司令李杜、丁超等人的统一指挥下，决心抗敌，保卫哈尔滨。
27日，于琛征所部向哈尔滨的上号、南岗、三棵树进犯，遭到李杜、丁超、冯占海等部官兵的反击，溃退下来。一时稳定了哈尔滨的军心。与此同时，自卫军领导迫切希望张学良出关抗日，牵制日军，但张学良并未出兵；自卫军又试图联络马占山，共同御敌，但马占山未出兵救援。这如此情况下，自卫军只能孤军奋战。
2月2日，在飞机、坦克、装甲车等配合下，日军进逼哈尔滨南郊。3日，哈尔滨保卫战打响，中国守军奋起抵抗。
4日，日军发起总攻，敌我双方在三间堡子战斗尤其激战。但在日军飞机轮番轰炸、坦克横冲直撞的攻势下，自卫军被迫利用民房、围墙同日军作战，结果被日军分割包围，失去联络，伤亡惨重。当日，中国守军被迫向顾乡屯撤退。日军乘胜追击，以猛烈炮火攻击顾乡屯、何家沟、新正阳河等地。
5日凌晨，日军再次向自卫军进攻，双方在哈尔滨市区展开巷战，最后，自卫军苦战不支，被迫退出市区，向宾县、巴彦方向转移，哈尔滨沦陷。
接着，刚刚成立不久的吉林省政府所在地宾县和黑龙江省政府所在地海伦也相继沦陷。至此，东北全境陷落日军铁蹄之下。
从九一八事变到哈尔滨沦陷，在仅仅4个月零18天时间里，东北全部沦陷，三千万东北同胞沦为亡国奴，过着极为悲惨的生活。
从经济上看，东北沦陷，使中国丧失了百分之十一点五的领土，百分之八的人口，百分之七十以上的铁矿、大豆和灰丝，百分之三十以上的牲畜、煤矿和森林，半数以上的石油，百分之四十左右的铁路。从政治上讲，东北沦陷，使中国的领土、主权受到严重侵犯，中日民族矛盾危机空前。所有这些也预示着，中国现代史上的转折时代即将来临。
