在第六方面军对长春发起围攻的时候，北满地区的张少林所部也对齐齐哈尔一线的日军发动了进攻。
驻守该地的是上村干男的第4军，该部队原作战部署是，第123师团位于孙吴、独立混成第135旅团位于瑷珲的西岗子山口地区、独立混成第13右旅团守备嫩江、第119师团守备博克图、独立混成第80旅团守备海拉尔、第149师团守备齐齐哈尔、独立混成第131旅团守备哈尔滨。
苏军发动进攻后，上村干男向所属师团、旅团，下达了就地抗击的命令。
但是在8月10日夜，关东军对在北方的第4军的原来部署，临时作了调整，命令第4军司令部与149师团，由齐齐哈尔后移至哈尔滨。
另外，命令独立混成第136旅团，由嫩江后移至齐齐哈尔。
而已从海拉尔后调博克图之第119师团及所属步兵第253、第254、第255联队，即在该地区扼守兴安岭之要道。
防守于孙吴地区之第123师团，设其防守阵地于孙吴县城以北、铁路以西之山区，其北面是在西岗子的独立混成第135旅团，依托有良好的地下工程之坚守阵地进行防御。
在东面的霍尔莫津一带派出了269联队的第1大队，在逊河地区派出了269联队第3大队进行警戒和组织抗击。师团防御主阵地由所属3个步兵联队及炮兵等组成山区的圆形防御地带，即268联队位于主阵地之西北方；第269联队（第2大队）位于主阵地以北；第270联队位于主阵地以南地区。
第123师团与独立混成第135旅团，分别在孙吴、西岗子地区设防，阻止苏军由瑷珲经西岗子、陡沟子、大岭、嫩江、讷河而至齐齐哈尔，和由孙吴经辰清、龙镇、北安而攻向哈尔滨。
第123师团在其主阵地上除所属炮兵外，还得到了4门24公分口径榴弹炮的配属；独立混成第135旅团则得到10点5公分口径的榴弹炮6门和同口径加农炮4门的加强。
苏军红旗第2集团军在进攻开始后，一路在黑河、瑷珲附近的黑龙江西岸，攻向西岗子；一路向奇克、霍尔莫津进攻，消灭在这里的日军两个大队，接着攻向孙吴第123师团的主阵地，向纵深发展。
与此同时，张少林所部则是由南向北进攻，以主力一部攻向嫩江方向，日军独立混成第135旅团，则以其独立步兵第268、第269、第270大队及挺进大队在西岗子进行坚守，还派出一个大队扼守黑河至嫩江的铁路。
虽然小鬼子打的很顽强，但是张少林所部占据了兵力上的优势，在包围该地的日伪军之后，张少林留下一个师的兵力继续作战外，主力则是攻向齐齐哈尔。
8月12日，经过两天的进攻，部队终于在日军目瞪口呆的眼神中抵达了齐齐哈尔。
不同于后世的四线小城市，此时的齐齐哈尔还是黑龙江的省会城市，但是由于这里无险可守，所以日军将主力部队全都撤出了齐齐哈尔，只留下一个独立混成第136旅团充当门面。
但是一个独混旅团满打满算也就是五六千人，而且没有什么像样的重武器，而张少林所部却足足有五个师的兵力，所有精锐加起来十二万人之多，即便是在嫩江留下两万人，但依旧有十万人。
10万vs6000，如此悬殊的战斗，结果用屁股想也能想出来。
战斗从12日中午打响，到下午三点钟，齐齐哈尔所有的外围工事全部被摧毁，防线也逐一被攻克，守军不得不撤到城区。
下午六点整，国军主力入城，开始巷战。
到深夜十一点钟，驻守齐齐哈尔的日军独立混成第136旅团全军覆没，齐齐哈尔被李国耀所部攻占。
部队攻占齐齐哈尔之后，张少林没有命令部队休息，而是继续命令部队向北进攻。
一路由张浩指挥，由齐齐哈尔向西北进攻，接应从海拉尔方向打下来的苏联军队，另一路则是快速向哈尔滨方向推进，配合武天成所部夺取哈尔滨。
在延吉方向，敌担任防守的村上启作之第3军，于8月9日夜得到了前方的报告，知苏军已向珲春、春化、东宁发起进攻。之后，该军各部队即按预定计划进行防守，但未能逃脱被歼之命运。
第127师团位于龙并以东之八道河子，其第280联队部署在珲春以南的五家子一带，作第一线警戒与防守；第281联队部署于开山屯以北之石建坪地区；第282联队则被部署在图们江边的开山屯一线。
其在五家子地区的280联队，距师团的主阵地约有45公里，所以苏军进攻后，这个联队即后撤。第127师团因处于战场南部的偏僻地区，未遇到大的战斗，伤亡亦小，在整个作战中仅伤亡、失踪约530人。
位于图们的第79师团，其291联队部署于朝鲜北部边境上之训戎里地区，进行警戒与防守；289联队部署于图们市当面附近之沿江地带；290联队部署子图们西南沿江之杰满村一线。
开战后，第一线之291联队第1大队在训戎里以南的山地与苏军作战时伤亡了约140人，即后撤。
第112师团位于汪清，其247联队部署于珲春县的凉水镇、密山屯、甩湾子一带；248联队则部署在汪清南铁路以东之寺洞、北凤梧洞、南阳一带；246联队则部署在汪清东南之十里坪的铁路线上。
其任务是以阵地防御，抗击苏军由珲春进至汪清，掩护图们防守部队之左翼与保护图们向北之铁路交通。
苏军进攻后，在密山屯、凉水镇的江边隘口地区发生了激战，不但防守在该地的247联队被消灭和不少人被俘，而应急前往增援的部队在中途即遭歼灭。
虽然这一带是山地林区，但亦无法阻止苏军空中、地面部队涌浪般的进攻。此刻处于绝望中的师团长中村次喜藏中将、参谋长安木龟二大佐，均在战场上自杀。
第1机动旅团归112师团指挥，其装备是以轻武器和各种破坏性武器为主。原任务为单独隐秘深入至苏联境内破坏铁路、桥梁、重要设施，并放火、突然袭击与制造恐怖和混乱。
该旅团共有3个机动联队，机动第1联队部署于春化。机动第2联队部署于老爷岭，机动第3联队部署于汪清。苏军进攻作战开始后，在春化的第1联队与苏军接火后，退至汪清地区进行防守。
第128师团位于罗子沟，其284联队位于老黑山既设阵地，进行警戒和防守，其285联队位于罗子沟；283联队位于罗子沟以北大碱场地区。
战斗打响后，在第一线的284联队突遭苏军攻击向罗子沟撤退中遭到追击。在罗子沟两天的战斗中第284、285联队及野炮兵第125联队伤亡较大，尤以第284联队伤亡最重，达总人数的三分之一以上，火炮、重机枪全部丢失。经其师团长水原义重请示第3军司令官村上启作之后，该师团后撤至天桥岭车站以东的桦皮甸子。
独立混成第132旅团战时也归128师团指挥，但该旅团有两个独立步兵大队，固定于东宁第1国境守备队之阵地上，即独立步兵第783大队位于国境守备队的三岔子以南、大乌蛇河边的兴隆屯第1守备区；独立步兵第786大队位于国境守备队三岔子以北、郭亮船口之第4守备区。
苏军向东宁的敌第1国境守备队发起进攻时，当晚该旅团奉命除留一部固守东宁筑垒地域外，其余主力后撤至大碱场。8月13日到达大碱场时，奉命一并指挥在大碱场的283联队。
由第1方面军直辖的第134师团位于佳木斯，其主力部署在佳木斯至方正一线。在前方的富锦县城驻有367联队之第2大队；366联队之第2大队则驻于鹤岗煤矿区。
战斗打响两天后，苏军由松花江口上溯的内河舰队与陆上部队进攻富锦，367联队的第2大队坚守了1天多之后大部被歼，一部逃脱；在鹤岗的第366联队之第2大队经战斗后，撤至佳木斯。
苏军大部队对这些日军的小据点，都采取绕道前进，仅派出一部予以围歼。
第一方面军给予134师团之任务是制止当面苏军之进攻，利用地形作持久抵抗。苏军的进攻是以一路从同江、二龙山、向阳屯、富锦、花马、集贤攻向佳木斯；一路以内河舰队沿松花江上溯至佳木斯、依兰、通河、哈尔滨；一路从名山、萝北、凤翔、宝泉岭、鹤岗向佳木斯进攻。
此时，整个东北已经乱成了一锅粥，原本看起来兵强马壮的关东军此时就像是一只戳破的牛皮一样，彻底的泄了气。
数十万日军以及大量的日本侨民就像是丧家之犬一样，完全没有斗志，只能不断地后撤，并在后撤的过程中不断地被歼灭！