军第8师团即向中国驻军送来最后通牒，要求中国军队立即撤出山海关。10时，日第8师团一部兵力乘4辆列车，在3辆铁甲车护送下到达山海关，10分钟后与其守备队在飞行第1中队5架飞机支援下共同发起进攻。
山海关的中国军队为东北军第9旅第626团的2个营，不到1000人的兵力。
但是中国守军沉着应战，这是自九一八事变以来，东北军第一次面对日军死战不退。战斗至下午，日军由于兵力退去。
3日晨，日第8师团一个多旅团的兵力在15架飞机轮流支援下对山海关南门展开猛烈的攻击。日海军第2遣外舰队的舰炮亦从山海关以东的海面上对中国守军进行轰击。
激战至14时，东南城角被日军突破，而日军舰炮则是不断炮击我后方支援部队，团长石世安组织数次反击均未能奏效，反而损失惨重。
1营营长安德馨及第2、3、4、5连连长先后战死，2个营的官兵已伤亡殆尽。石世安率残部于下午向石河西岸撤退。日军于当日占领了山海关，并很快控制了关内外的交通要道。
山海关被攻占的消息传到国内，全国大哗，各大城市学生纷纷举行抗日游行，全国民众的抗日呼声风起云涌，各地军阀也纷纷通电全国，呼吁国民政-府迅速派大军北上抗日，收复失地。
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