三间房是洮南至昂昂溪铁路线上的一个车站，北距齐齐哈尔70里，南距嫩江桥60里，是中国军队保卫黑龙江省省会的重要防御阵地。日军要侵占黑龙江省必占三间房才能直达齐齐哈尔。因此，争夺三间房就成江桥之战第二阶段的焦点。日军在第一阶段作战中伤亡很大，抓紧调兵遣将，极力准备再次进攻。

　　11月9日，关东军向日本陆军中央部提出速增派一个师团的兵力。10日午后30分，本庄繁下达了进攻三间房南之汤池东西线的命令。11日本庄又令“第2师团全力向大兴方面集结”。午后1时30分，在嫩江北岸有长谷旅团司令部、步兵第16联队、第4联队(欠第3中队)、第29联队第1大队(欠第3中队)、骑兵第2联队及配属的第28联队之第2中队，野炮兵第2联队’(欠第8中队)，工兵第2中队。嫩江南岸有野战炮兵第26联队第3大队、临时野战重炮兵大队。

　　针对日军的调兵遣将，中国军队也积极备战。11月7日晚，马占山主持召开军事会议，研究应敌措施并确定调整部署，重新设置三道防线。第一道防线在汤池、乌诺头、新立屯一带，其前线阵地在后依里巴、前官地、后官地等地，由骑兵第1旅吴松林部两个团防守。14日后骑兵第2旅程志远部全部投入汤池等地战斗。第二道防线在英老坟、三间房、大兴屯、小兴屯、霍托气等地，是黑军正面防御的主阵地，由暂编第1旅苑崇谷部4个团、步兵第2旅吴德林团、步兵第3旅李青山团、骑兵第1旅王克镇团、朴炳珊炮兵团，还有工程兵等保障分队防守。14日后，步兵第1旅孙洪裕团和绥化保安大队2000人加入正面防御作战。第三道防线在朱家坎、富拉尔基、昴昴溪、榆树屯等地，由步兵第1旅张殿九部2个团、骑兵2旅全部和卫队团防守。总兵力1，5万余人。日军侵占江桥和大兴只是占领黑龙江省的桥头堡，而占领黑龙江全省才是他们的真正目的。所以，当其军事准备就绪后，又开始新的军事进攻。12日上午，日军步骑兵500余人，向中国军队的前沿阵地前官地、后官地、张花园进攻，守军吴松林部奋起抗击。战至13时，阵地被日军占领，守军600余人撤向第一线阵地。

　　13日晨5时，日军500余人。在两架飞机配合下，向新立屯进攻，遭到守军反击，战到10时，不逞而退。午前嫩江桥修复。中午，关东军司令本庄繁下达第三次增援命令：“将第2师团剩余部队及混成第39旅团的步兵3个大队，及救护班派往大兴附近”，并令第2师团长多门中将一并指挥嫩江支队，各部于午后分别出发。日军中央部又急增3个飞行队至黑龙江省，并把在大连登陆的第4混成旅团改在朝鲜釜山登陆。下午，日军步兵骑兵3000余人在野炮30门、重炮8门的配合下向汤池、乌诺头、新立屯发动猛攻。守军奋起抵抗，战至午夜12时，日军以重大伤亡之代价占领乌诺头。

　　14日晨5时，日军先以少量骑兵袭扰汤池阵地，6时后700余步骑兵在两架飞机和重炮的掩护下向阵地猛攻。此时，马占山派程志远旅两个团增援汤池前线，派步兵第1旅孙鸿裕团2营增援三间房阵地。战至8时将日军击退。10时许，日军2000余人在长谷指挥下，分步、骑两支部队，采用大包围的战术，从左、右两个方向攻击汤池，激战至15日晨攻至拴马。马占山下令反击，卫队团首先冲入日军阵地，骑兵两个团从两翼包围，日军三面被围攻，不支而退。至此，共毙伤日军300余人、俘200余人，缴获炮2门、马70匹;伪军伤亡及携械逃亡者2000余人。守军为增强防御力量将绥化保安大队2000人编为独立团，加入正面阵地。15日，本庄繁奉R本陆相南次郎命令，向马占山提出马军应撤至齐齐哈尔地区、马军不得驻扎中东路以南、洮昴局管理，马不得妨碍等三项要求，被马占山拒绝。日实际上，日军未待中方答复，其第2师团长多门中将率师团主力于7时30分已到达大兴前线。

　　16日11时，日军步、骑兵4000余人，在10架飞机和重炮、坦克支援下，向新立屯、三家子等阵地攻击。守军奋力抵抗，战至15时，将日军击退。此战双方伤亡很大。17日10时10分，本庄繁接到陆军参谋总长关于“向齐齐哈尔以北推进。尽力以果敢行动使敌陷于溃灭”的指令，“当即决定攻击黑龙江省军”。“11时下令第2师团准备就绪后攻击当前之敌，一举攻占齐齐哈尔”。又令混成第39旅团除1个步兵中队和工兵中队外，“将其余部队调集大兴，人列于第2师团长指挥”。13时，多门师团长在后衣里巴列车内向日军各部队下达了向黑军全面进攻(重点进攻三间房)的正式命令。

　　17日22时，日军右翼部队，在天野指挥下，从乌诺头出发向新立屯一带左翼阵地进攻。守军吴松林旅虽有2个团，但经历次战斗伤亡很大，面对数倍强敌，竭死抵抗，打退日军十余次进攻。翌日凌晨，日军在坦克掩护下，猛烈攻击，弹发如雨。守军战壕多被毁坏，各团、营阵地被切断数十处，难以扼守，遂退 往大兴屯一带第二道阵地。3时20分，日军占领新立屯。17日22时40分，日军左翼部队，在长谷指挥下，向汤池一带右翼阵地进攻。守军程志远旅与之殊死奋战。翌日2时，日军增加攻击力量，以坦克8辆、大炮30余门，肆恣猛击，守军难支，遂撤向三间房主阵地。3时，日军占领汤池。此战，双方伤亡极大。

　　18日晨，日军以步骑、炮、坦克和空军配合作战，向中国军队发动全面而猛烈的进攻。3时前各部队均按预定部署进至待击地域。6时30分，日军飞机和炮兵先后向三间房一线阵地轰击1小时，守军以炮还击，彼此炮声隆隆，震撼整个朔北荒原。8时许，日军采取中间突破，两翼包抄的战术开始总攻。守军奋力抵抗，日军进攻未逞。9时20分左右，多门下令预备队增援，又发动疯狂进攻。战至10时，守军右翼部队虽浴血对抗，却难固守，便退至昴昴溪。10时30分，守军左翼阵地小兴屯失守，部队且战且退至红旗营子、榆树屯一带。此时，长谷指挥步、骑兵在飞机、坦克配合下向二三间房主阵地进攻。守军苑崇谷旅及张殿九旅顽强抗击。14时，日军第39混成旅团续到一个联队从三间房西侧三家子加入战斗。并与正面进攻的长谷旅团，全力夹击。15时后，日军又增加飞机12架、坦克12辆、大炮30余门，以猛烈炮火，将战壕全部摧毁。守军已激战一昼夜，米水未进，空腹苦战，拼死肉搏，喊杀之声惊天动，各旅死伤各半，无力再战，遂撤至昴昴溪。中国军连续鏖战三日，伤亡3000余众，毙敌2000余人。在三间房战斗进行最激烈时，马占山虽电致各方增援，但是“吉林军观望不动，北平方面亦无一确切指示。自洮昴路战事发生，所用子弹均黑龙江省旧存，且多霉湿不堪用。一昼夜激战，已用去十分之九，士卒虽有斗志，其奈徒手不能应战何”。马占山在伤亡惨重、弹尽粮绝、乞援无望的情况下，于18时15分下令各部撤出阵地。大部队沿齐昴路向省城撤退，留骑兵于距省城18里之乌黑马设防。22时，日军又自红旗营子追踪而至。马占山遂下令省府迁往克山，由苑崇谷旅掩护撤退，并率卫队500余人及骑兵700余扼守龙沙。

　　19日9时许，日军主力占领距省城15里之榆树屯，以猛烈炮火向省城轰击。17时，日军5000余人侵占齐齐哈尔。11月19日，日军占领齐齐哈尔。马占山率部沿齐克路撤往克山、拜泉、海伦一带集结。江桥之战至此结束。