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黑龙江主要城镇沦陷
10月1日，东北军黑龙江洮南镇守使张海鹏投敌，且奉日军命令派出3个团进攻齐齐哈尔。10月16日在嫩江桥，被黑龙江省防军击退。守军炸毁嫩江铁路桥的第1、第2、第5号桥，以阻止日伪军的进攻。10月26日，关东军第2师第29团占领四洮铁路沿线主要城镇。11月4日，关东军嫩江支队攻击嫩江桥北守军。黑龙江省政府代主席兼代东北边防军驻江副司令长官马占山指挥3个旅，5个团共1.6万余人进行负隅顽抗，战至11月18日，终因实力不济而弃守省城齐齐哈尔，撤往克山、海伦。11月19日，日军攻陷齐齐哈尔。
锦州、哈尔滨沦陷
张学良在事件爆发后离开奉天，带领属下转移到锦州。1931年10月8日，关东军派出12架轰炸机空袭锦州。对此，南次郎陆军大臣依然对若槻礼次郎首相声称“由于受到中国军队的防空炮火攻击，才不得已采取自卫行动”，此后关东军发表公开声明，宣称“张学良在锦州集结大量兵力，如果置之不理，恐将对日本权益造成损害。为了尽快解决满蒙问题，关东军有必要驱逐锦州政权。”此后，币原主张的国际协调主义外交政策受到了严重的挫折，日本越来越强大。
日军攻占黑龙江省主要城镇后，开始进攻辽西地区。12月15日，关东军进攻锦州。12月17日，日本陆军中央部由日本本土增派混成第8旅，并从朝鲜调第20师司令部、混成第38旅、重轰炸飞行中队以增援关东军。12月28日，第2师主力渡过辽河进攻锦州；12月30日，混成第39旅进攻打虎山（今大虎山）。1932年1月3日，第20师司令部率混成第38旅占领锦州。驻锦州的东北军第12、第20旅和骑兵第3旅已奉命撤退至河北滦东地区和热河。1月28日关东军第3旅由长春向哈尔滨进军，同时从辽西地区调第2师增援。当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。1月31日，依兰镇守使兼第24旅旅长李杜率吉林自卫军进行哈尔滨保卫战。激战五天，自卫军丢盔弃甲，溃不成军，撤往宾县。2月5日，日军拿下哈尔滨。
由于蒋介石的“不抵抗政策”，在不到半年的时间内，整个东北三省100万平方公里的土地被日军占领。
满洲国成立
由于受到了国际舆论的普遍谴责，关东军不敢悍然武力占领满洲全境，因此考虑建立傀儡政权。当时担任特务机关负责人的土肥原贤二大佐游说了已经退位的清朝末代皇帝溥仪。当时关东军以复兴满清为条件，说服溥仪回到东北。11月10日，溥仪从天津出发，11月13日到达营口，最后停留在驻守旅顺的日本军营内。[2]
1932年3月1日，日本扶植的满洲国正式成立。溥仪担任国家元首