这些无理要求，理所当然地被马占山拒绝。日军这些无理要求，不过是为其进一步扩大侵略制造“口实”。实际上，日军未待中方答复，其第2师团长多门中将率师团主力于7时30分已到达大兴前线。

16日11时，日军步、骑兵4000余人，在10架飞机和重炮、坦克支援下，向新立屯、三家子等阵地攻击。守军奋力抵抗，战至15时，将日军击退。此战双方伤亡很大。17日10时10分，本庄繁接到陆军参谋总长关于“向齐齐哈尔以北推进。尽力以果敢行动使敌陷于溃灭”的指令，“当即决定攻击黑龙江省军”。“11时下令第2师团准备就绪后攻击当前之敌，一举攻占齐齐哈尔”。

又令混成第39旅团除1个步兵中队和工兵中队外，“将其余部队调集大兴，人列于第2师团长指挥”。13时，多门师团长在后衣里巴列车内向日军各部队下达了向黑军全面进攻(重点进攻三间房)的正式命令。

17日22时，日军右翼部队，在天野指挥下，从乌诺头出发向新立屯一带左翼阵地进攻。守军吴松林旅虽有2个团，但经历次战斗伤亡很大，面对数倍强敌，竭死抵抗，打退日军十余次进攻。翌日凌晨，日军在坦克掩护下，猛烈攻击，弹发如雨。守军战壕多被毁坏，各团、营阵地被切断数十处，难以扼守，遂退 往大兴屯一带第二道阵地。3时20分，日军占领新立屯。17日22时40分，日军左翼部队，在长谷指挥下，向汤池一带右翼阵地进攻。守军程志远旅与之殊死奋战。翌日2时，日军增加攻击力量，以坦克8辆、大炮30余门，肆恣猛击，守军难支，遂撤向三间房主阵地。3时，日军占领汤池。此战，双方伤亡极大。

18日晨，日军以步骑、炮、坦克和空军配合作战，向中国军队发动全面而猛烈的进攻。3时前各部队均按预定部署进至待击地域。6时30分，日军飞机和炮兵先后向三间房一线阵地轰击1小时，守军以炮还击，彼此炮声隆隆，震撼整个朔北荒原。

8时许，日军采取中间突破，两翼包抄的战术开始总攻。守军奋力抵抗，日军进攻未逞。9时20分左右，多门下令预备队增援，又发动疯狂进攻。战至10时，守军右翼部队虽浴血对抗，却难固守，便退至昴昴溪。10时30分，守军左翼阵地小兴屯失守，部队且战且退至红旗营子、榆树屯一带。此时，长谷指挥步、骑兵在飞机、坦克配合下向二三间房主阵地进攻。守军苑崇谷旅及张殿九旅顽强抗击。

14时，日军第39混成旅团续到一个联队从三间房西侧三家子加入战斗。并与正面进攻的长谷旅团，全力夹击。15时后，日军又增加飞机12架、坦克12辆、大炮30余门，以猛烈炮火，将战壕全部摧毁。守军已激战一昼夜，米水未进，空腹苦战，拼死肉搏，喊杀之声惊天动，各旅死伤各半，无力再战，遂撤至昴昴溪。中国军连续鏖战三日，伤亡3000余众，毙敌2000余人。在三间房战斗进行最激烈时，马占山虽电致各方增援，但是“吉林军观望不动，北平方面亦无一确切指示。自洮昴路战事发生，所用子弹均黑龙江省旧存，且多霉湿不堪用。

一昼夜激战，已用去十分之九，士卒虽有斗志，其奈徒手不能应战何”。马占山在伤亡惨重、弹尽粮绝、乞援无望的情况下，于18时15分下令各部撤出阵地。大部队沿齐昴路向省城撤退，留骑兵于距省城18里之乌黑马设防。22时，日军又自红旗营子追踪而至。马占山遂下令省府迁往克山，由苑崇谷旅掩护撤退，并率卫队500余人及骑兵700余扼守龙沙。

19日9时许，日军主力占领距省城15里之榆树屯，以猛烈炮火向省城轰击。17时，日军5000余人侵占齐齐哈尔。马占山率部沿齐克路撤往克山、拜泉、海伦一带集结。江桥之战至此结束。