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。