十天以后，历经辛苦的日军第十四师团和第二十七师团终于越过鸭绿江进入满州。兵力减员都是近三分之一，重装备丢失无数。尽管如此，对关东军来说，依旧如同打了一针兴奋剂。在他们之后，还有第十六、第十七、第二十五、第三十一、第三十二师团以及第一和第四重炮旅和新组建的第一高射炮师团等，在行军路途上。
随着援军的到来，植田廉吉在参谋主任板垣征四郎和参谋石原莞尔的建议下，准备对国防军实施反击。目标就是围困哈尔滨的国防军远东集团军。根据情报，围困哈尔滨的部队只有四个师，而日军则打算动用八个师团，哈尔滨城内的第十师团，在齐齐哈尔一线的第八师团，在吉林的第二和第四师团，以及陆续到达的第十四、第二十七、第十六、第二十五师团，以及重炮第一旅团。
远东集团军的行动是很冒险的，本来进攻咸兴的第四装甲师和第七十九师是用作预备队的，但考虑到要尽早插足朝鲜半岛，这两个师也分配了作战任务。这样一来，在哈尔滨进行围困行动的几个师就没有了预备队，完全只能靠他们自身的力量作战。
准备发起反击的日军，第二师团和第十四、第二十七师团从吉林榆树，第四师团和第十六、第二十五从松原分两路向哈尔滨运动，而在齐齐哈尔的第八师团也前出到了绥化。一时间，哈尔滨的外围，松花江两岸，大战来临的压抑气氛越来越浓重了。
在侦知日军移动后，围困哈尔滨的远东集团军也做了相应的调整，远东集团军司令官徐庭瑶和参谋长白崇禧乘飞机亲临哈尔滨前线指挥作战。
在松花江北岸至呼兰河南岸一带，姜登选的第七十五师负责阻击日军从绥化方向前来的第八师团，汤玉麟的七十三师和藏式毅的第八十师在松花江南岸摆开了阵势，第五十七装甲师则秘密运动到了阿城以西，准备在榆树方向的日军到达之后发起进攻时，从侧翼对日军发起突袭。
在哈尔滨西北，国防军却摆了个空城计，仅仅在佟家店放了第五十七师二二七步兵团的一个营。因为徐庭瑶实在调不出多余的兵力了。这是徐庭瑶判断日军第八师团应当属于牵制兵力。日军的重点，肯定在南面，那里分两路集中了日军六个师团。
战斗在哈尔滨以南十五公里处的南沟一带率先打响。在南沟一带负责防御的是汤玉麟七十三师的二八一团。进攻的日军是从松原前来的日军第十六师团所部的步兵第二十联队。
战斗从一开始就进入了白热化，进攻的日军不惜代价的发起冲锋，若不是国防军在包围哈尔滨之后，就开始构筑防御工事的话，还真的有点难以抵挡。
石原莞尔和板垣征四郎给植田廉吉设计的作战方案，是要松原这一路通过猛攻，把国防军的主要力量吸引到哈尔滨的南边，为从榆树出击的这一路日军创造条件。趁国防军的注意力集中在南线时，从西南方向对国防军的防线进行突破。再和哈尔滨城内的第十师团配合，对国防军实行包抄，消灭国防军远东集团军的主力。