進攻瀋陽的戰鬥快要結束時，
監視長春的日軍也開始向長春進攻。
長春是中東鐵路支線（哈爾濱到長春，俄羅斯管理）和南滿鐵路（長春到旅順，日本管理）的交點，是通往吉林市的門戶，也是向北通往哈爾濱的必經之路，具有重要的戰略地位。
東北軍在長春有兩大兵營，分別是南嶺兵營和寬城子兵營。其中南嶺兵營駐有東北軍獨立25旅的671步兵團和一個炮兵團，另有一個輜重營。炮兵團有野炮36門，威力巨大，炮火可以覆蓋日軍控制的鐵路，最被日軍顧忌。寬城子兵營駐有東北軍獨立23旅一個步兵營，23旅主力駐長春市內。
日軍第4聯隊分三路進攻長春，分別進攻南嶺兵營、寬城子兵營、長春市區。
日軍進攻長春示意圖
由於南嶺兵營的炮兵對日軍威脅巨大，所以日軍在制定作戰計劃時，就將南嶺兵營列為第一批奪取的目標。
9月19日凌晨5時左右，日軍第4聯隊一部隱蔽接近南嶺兵營炮兵團1營駐地，準備偷襲，但在乘梯過圍牆時被剛起床的中國士兵發現，立即改為強攻。
剛剛起床的東北軍從窗口向日軍射擊，由於倉促抵抗，沒有組織，一時出現混亂。日軍趁東北軍混亂的當口，搶佔1營12門火炮，將其全部毀壞，然後全力進攻1營營房。由於執行“不抵抗”的命令，1營手中武器不多，無法抵抗日軍進攻，戰至6時40分，撤退到2、3營營區。
就在1營抵抗日軍的時候，步兵團和炮兵團都向代理吉林事務的熙洽請示，熙洽是滿清後裔，早已決定投降日軍，遂命令步、炮兩團不得抵抗。面對日軍的進攻，炮兵團2、3營士兵義憤填膺，不肯接受不抵抗的命令，強行砸開軍械庫，取出大量武器在2、3營營地建立防線。
日軍突破1營陣地後，立即集結兵力，分左、右兩翼從北面向2、3 營陣地進攻。由於2、3營已有準備，加之火力非常強，抵抗非常頑強，給日軍以大量殺傷。3營營長張瑞福指揮部隊用山炮對準日軍衝鋒的密集隊形轟擊，以榴散彈射擊快到陣地前的日軍士兵。在守軍猛烈打擊下，日軍傷亡加劇，不得不停止攻擊，固守待援。
上午10 時，日軍大量援軍趕到，立即組織第二次進攻。在炮兵掩護下，日軍分兩路同時向步兵團和炮兵團進攻。在日軍停止進攻的間隙，東北軍調整了部署，並補充了大量彈藥。當日軍進攻時，東北軍抵抗更加堅決，利用營房一切可以利用的槍眼，猛烈還擊日軍，日軍傷亡加大。
戰至下午 1 時，守軍陣地屹立不動，日軍兩個步兵大隊長（相當於中國的營長）受重傷，一個步兵中隊長（相當於中國的連長）和一個機槍小隊長（相當於中國的排長）被擊斃。日軍前線陣地一下子失去指揮，守軍乘機反攻，日軍將所有預備隊都投入戰鬥，連通信班都被派到前線，才穩住陣地。
經過將近一天的激戰，中國守軍傷亡既重，又無增援，漸漸不支。中午，日軍騎兵一個大隊到達南嶺兵營，加入攻擊，同時，日軍關東軍司令本莊繁下令從旅順開到瀋陽的步兵第30聯隊和一個炮兵大隊用火車運到長春，加入對南嶺的攻擊。為保存實力，守軍於下午 15 時撤出南嶺兵營。日軍以死亡43人（軍官2人），傷55人（軍官3人）的代價佔領南嶺兵營，如果其他東北軍能這麼抵抗，日軍未必能佔領東北。
在進攻南嶺兵營的同時，進攻寬城子兵營的日軍也對寬城子兵營也發起了攻擊。19日凌晨4點30分左右，日軍隱秘接近寬城子兵營，這路日軍也準備偷襲，但剛進入營區就被發現。
守衛寬城子兵營只有東北軍23旅一個步兵營，營長傅冠軍警惕性高，並沒有執行“不抵抗”命令，晚上在營區內的俄式建築內安排了相當多的兵力。
傅冠軍
當日軍進入營區時，營長傅冠軍努力與日軍交涉，希望能儘量爭取和平解決。日軍要求傅冠軍投降。由於上級有“不抵抗”的命令在先，傅冠軍願意撤出營區，但拒絕交出武器。日軍立即射擊，傅冠軍中槍重傷，不久就死去。
見營長中彈，陣地上的中國士兵立即還擊，就寢的士兵聽到槍聲立即起床投入戰鬥，有些士兵連衣服都沒穿好就拿起槍向日軍射擊。
日軍將三個中隊（一箇中隊相當於中國一個連）並列展開，同時向東北軍據守的三個建築物發起攻擊。到早上 6 時半左右，日軍攻佔了東側營房一角，但後續部隊在通過營房以南的開闊地時，遭到中國守軍猛烈的火力阻擊，一時進展緩慢。激戰至上午8時半，日軍得到增援後，兩個大隊（一個大隊相當於中國一個營）合力突破兵營東南一角，但前進到一個狹窄的入口處，被中國守軍的火力封鎖，傷亡增加而無法前進。日軍派出一個小隊（相當於中國一個排），企圖迂迴到中國守軍後方，被守軍發現，遭到猛烈射擊，迂迴小隊長也被打死。
日軍指揮官大島見部隊正面、迂迴都受阻，氣得拉著軍旗前進到攻擊線後 100 米督戰，希望能激起日軍士兵的武士道精神，衝破守軍阻擊線。但沒有任何作用，日軍仍然被守軍猛烈的火力死死壓制。
到 上午 10時10分，日軍增援部隊攜帶三門大口徑平射炮趕到，才佔據優勢。此時，吉林軍政代理人熙洽派人送來“避免衝突”的命令。此前，守軍也多次得到不得抵抗的命令，看到“避免衝突”的命令，失望已極，乃於 11 時向北突圍。由於日軍已經對兵營合圍，守軍只部分突圍，沒突圍的被日軍繳械。
寬城子兵營一戰，日軍傷亡57人，中國守軍陣亡70人。在人數、火力都不佔優勢的情況下，中國守軍與日軍幾乎打個平手，可以看出東北軍並不比日軍弱，如果能堅決抵抗，完全可以戰勝日軍。只可惜張學良太高估日軍，低估自己，從而釀成大錯。
守衛長春市城區的是李桂林率領的第23旅主力，李桂林怯戰，日軍還沒到就棄城逃走，城區內守軍被日軍繳械。
日軍以不到一天的時間就佔領了長春，建立了向北進攻黑龍江的前進基地。
同一天，日軍佔領了滿鐵沿線的安東、本溪、遼陽、鐵嶺、撫順等重要城鎮。第二天即9月20日，熙洽向日軍投降，日軍於9月21日進入吉林市。22、23 兩日，日軍佔領延吉、琿春、蛟河、敦化。24日，日軍佔領吉林西北重鎮通遼和新民。25日，日軍進佔洮南。
不到一週時間，日軍就佔領了遼寧和吉林兩省30多個城市，並控制了兩省內6條鐵路線，完成了佔領東北第一階段的軍事進攻。
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