进攻沈阳的战斗快要结束时，监视长春的日军也开始向长春进攻。
长春是中东铁路支线（哈尔滨到长春，俄罗斯管理）和南满铁路（长春到旅顺，日本管理）的交点，是通往吉林市的门户，也是向北通往哈尔滨的必经之路，具有重要的战略地位。
东北军在长春有两大兵营，分别是南岭兵营和宽城子兵营。其中南岭兵营驻有东北军独立25旅的671步兵团和一个炮兵团，另有一个辎重营。炮兵团有野炮36门，威力巨大，炮火可以覆盖日军控制的铁路，最被日军顾忌。宽城子兵营驻有东北军独立23旅一个步兵营，23旅主力驻长春市内。
日军第4联队分三路进攻长春，分别进攻南岭兵营、宽城子兵营、长春市区。
由于南岭兵营的炮兵对日军威胁巨大，所以日军在制定作战计划时，就将南岭兵营列为第一批夺取的目标。
9月19日凌晨5时左右，日军第4联队一部隐蔽接近南岭兵营炮兵团1营驻地，准备偷袭，但在乘梯过围墙时被刚起床的中国士兵发现，立即改为强攻。
刚刚起床的东北军从窗口向日军射击，由于仓促抵抗，没有组织，一时出现混乱。日军趁东北军混乱的当口，抢占1营12门火炮，将其全部毁坏，然后全力进攻1营营房。由于执行“不抵抗”的命令，1营手中武器不多，无法抵抗日军进攻，战至6时40分，撤退到2、3营营区。
就在1营抵抗日军的时候，步兵团和炮兵团都向代理吉林事务的熙洽请示，熙洽是满清后裔，早已决定投降日军，遂命令步、炮两团不得抵抗。面对日军的进攻，炮兵团2、3营士兵义愤填膺，不肯接受不抵抗的命令，强行砸开军械库，取出大量武器在2、3营营地建立防线。
日军突破1营阵地后，立即集结兵力，分左、右两翼从北面向2、3 营阵地进攻。由于2、3营已有准备，加之火力非常强，抵抗非常顽强，给日军以大量杀伤。3营营长张瑞福指挥部队用山炮对准日军冲锋的密集队形轰击，以榴散弹射击快到阵地前的日军士兵。在守军猛烈打击下，日军伤亡加剧，不得不停止攻击，固守待援。
上午10 时，日军大量援军赶到，立即组织第二次进攻。在炮兵掩护下，日军分两路同时向步兵团和炮兵团进攻。在日军停止进攻的间隙，东北军调整了部署，并补充了大量弹药。当日军进攻时，东北军抵抗更加坚决，利用营房一切可以利用的枪眼，猛烈还击日军，日军伤亡加大。
战至下午 1 时，守军阵地屹立不动，日军两个步兵大队长（相当于中国的营长）受重伤，一个步兵中队长（相当于中国的连长）和一个机枪小队长（相当于中国的排长）被击毙。日军前线阵地一下子失去指挥，守军乘机反攻，日军将所有预备队都投入战斗，连通信班都被派到前线，才稳住阵地。
经过将近一天的激战，中国守军伤亡既重，又无增援，渐渐不支。中午，日军骑兵一个大队到达南岭兵营，加入攻击，同时，日军关东军司令本庄繁下令从旅顺开到沈阳的步兵第30联队和一个炮兵大队用火车运到长春，加入对南岭的攻击。为保存实力，守军于下午 15 时撤出南岭兵营。日军以死亡43人（军官2人），伤55人（军官3人）的代价占领南岭兵营，如果其他东北军能这么抵抗，日军未必能占领东北。
在进攻南岭兵营的同时，进攻宽城子兵营的日军也对宽城子兵营也发起了攻击。19日凌晨4点30分左右，日军隐秘接近宽城子兵营，这路日军也准备偷袭，但刚进入营区就被发现。
守卫宽城子兵营只有东北军23旅一个步兵营，营长傅冠军警惕性高，并没有执行“不抵抗”命令，晚上在营区内的俄式建筑内安排了相当多的兵力。
当日军进入营区时，营长傅冠军努力与日军交涉，希望能尽量争取和平解决。日军要求傅冠军投降。由于上级有“不抵抗”的命令在先，傅冠军愿意撤出营区，但拒绝交出武器。日军立即射击，傅冠军中枪重伤，不久就死去。
见营长中弹，阵地上的中国士兵立即还击，就寝的士兵听到枪声立即起床投入战斗，有些士兵连衣服都没穿好就拿起枪向日军射击。
日军将三个中队（一个中队相当于中国一个连）并列展开，同时向东北军据守的三个建筑物发起攻击。到早上 6 时半左右，日军攻占了东侧营房一角，但后续部队在通过营房以南的开阔地时，遭到中国守军猛烈的火力阻击，一时进展缓慢。激战至上午8时半，日军得到增援后，两个大队（一个大队相当于中国一个营）合力突破兵营东南一角，但前进到一个狭窄的入口处，被中国守军的火力封锁，伤亡增加而无法前进。日军派出一个小队（相当于中国一个排），企图迂回到中国守军后方，被守军发现，遭到猛烈射击，迂回小队长也被打死。
日军指挥官大岛见部队正面、迂回都受阻，气得拉着军旗前进到攻击线后 100 米督战，希望能激起日军士兵的武士道精神，冲破守军阻击线。但没有任何作用，日军仍然被守军猛烈的火力死死压制。
到 上午 10时10分，日军增援部队携带三门大口径平射炮赶到，才占据优势。此时，吉林军政代理人熙洽派人送来“避免冲突”的命令。此前，守军也多次得到不得抵抗的命令，看到“避免冲突”的命令，失望已极，乃于 11 时向北突围。由于日军已经对兵营合围，守军只部分突围，没突围的被日军缴械。
宽城子兵营一战，日军伤亡57人，中国守军阵亡70人。在人数、火力都不占优势的情况下，中国守军与日军几乎打个平手，可以看出东北军并不比日军弱，如果能坚决抵抗，完全可以战胜日军。只可惜张学良太高估日军，低估自己，从而酿成大错。
守卫长春市城区的是李桂林率领的第23旅主力，李桂林怯战，日军还没到就弃城逃走，城区内守军被日军缴械。
日军以不到一天的时间就占领了长春，建立了向北进攻黑龙江的前进基地。
同一天，日军占领了满铁沿线的安东、本溪、辽阳、铁岭、抚顺等重要城镇。第二天即9月20日，熙洽向日军投降，日军于9月21日进入吉林市。22、23 两日，日军占领延吉、珲春、蛟河、敦化。24日，日军占领吉林西北重镇通辽和新民。25日，日军进占洮南。
不到一周时间，日军就占领了辽宁和吉林两省30多个城市，并控制了两省内6条铁路线，完成了占领东北第一阶段的军事进攻。