关东军总司令部既然在辽阳，那日军对辽阳的防卫力量自然也是最充足的，除了正规军第2师团第15旅团第16联队的三千余士兵外，另有五千多已经组织起来的日本在乡军人和退役军警以及浪人侨民随时待命。本来，这些关东军的后备力量原本是打算被用来发动“满洲事变”的，此时却成了护卫关东军总司令部的有生力量。由于总司令官、师团长、旅团长、联队长都在这里亲自坐镇指挥，因此第16联队和协同作战的日本武装人员抵抗得异常顽强。另一方面，作为日军最高指挥部所在的辽阳虽然重要，但毕竟没有作为东北军最高指挥部所在的沈阳更重要，因此第1军的主力先去解决了沈阳敌军，再开赴辽阳参战，这在客观上确实贻误了时间，让日军得到时间进行反应和准备。
辽宁省的铁路网属于满洲南部铁路网，但有三分之二都控制在日本人的南满洲铁道株式会社手里。此时东北军已经和关东军正式开战，东北方面也不需要客气了。9月1日当天，张学良下令没收日本人在东北的所有工商机构，查抄日本人在东北的所有财产，南满铁路公司自然首当其冲，是最大的目标，东北军在消灭日军铁道守备部队的同时还要谨防日本人破坏南满铁路线，顺便占领南满公司所拥有的“铁道附属地区”（即南满公司所修铁路沿途两侧的通过不平等条约而‘租借’给日本人的东北土地）。东北铁道部、东北交通部上下听闻这个消息后无不欢声雷动。铁道部长李钟美曾感叹道：“东北铁路如网，但大部分绝不是我们中国人的，我们中国人却无权使用中国土地上的铁路，可真是国耻啊！”此时欣喜若狂的他和交通部长茅以升立刻按照张学良的命令，调动了铁道部和交通部的大量人手，跟随势如破竹的东北军一起强行接管满铁公司的财产和铁路。原属于满铁公司的日方工作人员基本都拒绝配合，甚至组织反抗，光是被东北军击毙的满铁公司人员就达到近千人，被逮捕者近万。用武力接收了满铁的铁路和机车后，东北军的南下部队纷纷乘坐火车，风驰电掣地挥师向南。
9月2日上午，辽阳战役爆发。
由于日军在辽阳城内部署防线，因此东北军的炮兵团和航空兵都不敢参战，避免炮击和轰炸会误伤辽阳居民。奉命进攻的东北军第106师、第110师、第111师的官兵们不得不以有限的迫击炮、步兵炮作为火力掩护，在城内和日军展开逐街逐巷的争夺拉锯战，再加上投鼠忌器，因此进度缓慢、战事激烈。整个辽阳在战火中彻底鼎沸，在军官们声嘶力竭的呼喊命令声中，跨过太子河后兵分三路展开进攻的东北军与日军在东堡、迎水寺、韭菜园等多个交通中枢处展开了激战。双方官兵操控着的一挺挺机枪步枪齐齐怒绽烈焰，一门门迫击炮和步兵炮齐齐弹火出膛，雨点般的手榴弹更是在双方之间劈头盖脑地来回飞舞。冲向日军阵地的东北军前赴后继地淹没在了遍地的血泊和机枪绽放开的死亡风暴中，令人眼花缭乱的弹火弧光组成了一道道密不通风的火力网，枪炮巨响简直是惊天动地，在撕心裂肺的扫射声中，子弹和炮弹宣泄的密度犹如瓢泼暴雨，浓烈的硫磺味和血腥气一起骤然腾起。日军的反击力度非常强劲，冲在最前面的东北军在日军的火力网中几乎全部被拦腰斩断，一排排断裂了的躯体喷涌着一股股血泉，被机枪子弹打成烂西瓜的头颅遍地乱滚，肉泥般的碎肉和破裂的内脏齐齐漫天樱花瓣般飞舞。
