日军第8师团一个多旅团在15架飞机的支援下轮番对山海关猛攻，日军第2外遣舰队的舰炮亦从山海关以东的海面上对东北军守军进行轰击。激战至3日下午，在日军海陆空一体的联合打击下，东南城角被日军突破。团长石世安组织数次反击均未能奏效。
猛烈的炮火淹没了整个南城，大队日军在扑天盖地的火力掩护下向炸开的城墙处涌进。
眼前是稀稀疏疏的战士，比起开战之前人员少了一半，安德馨面上带着一丝决绝之色，向自己的部下沉痛的吼道，“日本人真把我们欺负到家了。之前他们占领了奉天，现在他们又想不费一枪一弹就占领山海关，我们如果不和他们血战到底，就对不起山海关父老，也没有中国人的血性，我安某一日在榆关，日人一日绝不能过去。日人欲过去，只有在我们的尸首上过去，誓与山海关共存亡！”
在安德馨的振臂高呼之下，一营，二营六七百余官兵向日军发起绝死反击。但血肉之躯如何敌得过日军飞机大炮军舰的狂轰滥炸。整个山海关几乎都被淹没在炮火之中，一栋接一栋的民房与商户在爆炸中垮塌，冲天的炮火与硝烟，给绝死反击的安德馨部凭添了几分悲壮的气氛。
“在日本的步步进逼下，一直在退让的民国军人开始觉醒，一支如此落后的军队展现出来的勇气比起任何一支列强军队也毫不逊色，他们直面生死。毫不畏惧。只是在日军的强大进攻下。这些抵抗似乎都是徒劳的……”根据辛丑条约规定。英，美等11国列强在北平至上海关沿线都有驻军，其中的法国武官看到这惨烈无比的一幕，不由充满同情的哀叹。
战至1月3日下午三时，安德馨先是手部受伤，毫不顾及。移时弹中腿部，仍裹创奋战。继而头腹两处同时中弹，最终倒地不起。安德馨的尸体被警卫员拼死抢出。装进麻袋背着逃走。一营，二营，1，2，3，4，5连连长，连副，排长尽皆战死。两个营的官兵伤亡殆尽。团长石世安率余部仅二十余人从西水门向石河西岸撤退。日军一路穷追猛赶，警卫员王宏武被日军一路猛赶。不得已将安德馨的尸体草草掩埋在西水门附近，并托付给清真寺附近的回族群众照看。日军进占山海关。控制了通往关内关外的交通要道。
攻占了山海关的日军顺势对关外五里台地区进攻。受到东北军何柱国部的坚决抵抗，双方接连打了几场，鉴于日军的进攻热河的主力已经陆续布置到位，山海关的战事稍歇，但日军主力却大举向热河迈进。早在23日，松井石根就定下了预定进攻计划。此时日本政府用起了惯用的伎量，驻华使馆提出要求民国驻热河军队撤出热河全境，承认热河为伪满州国国土，否则威胁难保战事不扩大到华北一带。