就在日軍攻占了布干維爾島，徹底取得了對整個索羅門群島的控制權，取得了對澳大利亞空襲前進基地的當天。三月十八日，抗聯參戰各部按照總部的規定，全部進抵制定作戰地域。
十九日黃昏之前全體參戰部隊，除迂迴部隊正隱蔽從集結地西烏珠穆沁旗，向蘇尼特左旗進攻出發地域運動之外，其餘各部已經全部完全展開。所有的炮兵，已經全部進入作戰地域。而負責對地實施支援的各個作戰機群，已經做好隨時起飛的準備。
三月二十日凌晨三時，按照計劃此次會戰首先在新京正北與通遼方向同時打響。隨著鋪天蓋地的照明彈升空，從新京正面出擊的裝甲二師在密集的炮火，以及集中了抗聯所有的一百六十部大功率對空探照燈，以高強度光線照射日軍陣地的掩護之下。率先一馬當先，從長嶺一線向懷德、新京交界處的日軍陣地發起攻擊。
這一百六十部大功率探照燈，是幾乎抽調了抗聯所有的蘇制和美制對空探照燈。凌晨三時發起大規模集群攻擊，對於抗聯來說無疑還是首次。為了保證進攻的順利，以及夜間照明的問題，楊震想辦法為中線攻擊部隊調集了一批探照燈。
楊震的意思很明顯，就是利用這批探照燈發出的強烈光源，除了為攻擊部隊指明進攻方向之外。另外一個優點就是利用這批探照燈的強烈光照，刺痛當面日軍一線部隊的眼睛，使其只能採取盲射的辦法，為攻擊發起部隊爭取有利的戰機。
這種戰術雖然首次運用，但是卻在實戰之中起到了不小的效果。被強烈光線刺的無法睜開雙眼的日軍，只能瞎打盲射。突擊部隊遭受的損失，幾乎可以忽略不計。新京東部戰場上日軍的第一道防線，在短短兩個小時之內全線被突破。
同時從吉林、九台向伊通穿插的一個加強師，也在兩個獨立坦克團以及大量炮火的配合之下。激戰至二十日中午，撕開了日軍的防禦陣地。在當面日軍防線上，打開了三個突破口，正在向日軍縱深陣地發展。
裝甲二師與兩個獨立坦克團，猶如兩把尖刀一樣，從新京戰場上日軍兩面側翼向日軍整體防禦的縱深穿插過去。這兩支部隊的匯合點，在新京以南的公主嶺。一旦這兩支穿插部隊匯合，整個新京戰場上的日軍所有兵力，都將被合圍在新京周邊。
而在新京戰場打響的同一時間，通遼方向出擊的部隊，以裝甲二旅一百二十輛坦克為先導，組成快速裝甲機械化集群。從雙遼強渡東遼河，向松遼平原發起進攻，直插中長鐵路四平街一線。並以一部兵力，直逼戰略要地三江口。
這支部隊的主要任務就是進逼關東軍司令部所在地四平街，截斷關東軍增援新京戰場的通道。在新京以南構築第二道封鎖線，逼迫關東軍提前調動預備隊，徹底打亂關東軍的作戰計劃。
在其他三個方向打響的同時，在新京北部正面王光宇親自指揮三個整編步兵師，在兩個一二二榴彈炮團，一個一二二火箭炮團，一個一五五榴彈炮團，以及總部直屬重炮團的火力掩護。以及兩個獨立坦克營，以及一個獨立坦克團配合之下。從正面對新京城內的日軍，發起了全線攻擊。
原本楊震是準備將用瑪蒂爾達二型坦克組建的四個獨立坦克營，都配屬到新京正面。但是在陳翰章的要求之下，調了三個營到西線用於正面突破。這樣一來，新京正面突擊手段略有不足。
在蘇聯人轉交的德制坦克到貨，替換下裝甲二師目前裝備雜牌坦克之後。楊震用這些德國貨替換下該師換裝後剩餘的三八T型坦克，加上五十輛十字軍巡洋坦克，充實了三個獨立坦克團中建制。
並將其中全部配備了三八T型坦克，以及少量BT快速坦克的獨立一團，配備給了新京北突擊集群。這麼一弄下來，新京北突擊集群中這個集群中的坦克數量，並不比其他的方向少。王光宇以坦克為先導，同時從新京北、西兩個正面，向新京的日軍守軍發起攻擊。並以一部兵力牽制新京以東之日軍，徹底的截斷新京至雙陽公路，切斷日軍從東部增援新京的通道。
實際上前一階段會戰之中，抗聯雖然沒有能夠徹底拿下新京這個日軍統治東北的象徵。但是通過苦戰，已經將新京形成半包圍。新京北部以新京環城公路為兩軍對峙線。以北是抗聯的控制區，以南是關東軍的控制區。
而在新京東面抗聯的兵力，奢嶺至興隆山一線以東已經全部是抗聯的控制區，日軍只控制了新京至雙陽公路以南地區。在西面抗聯的兵鋒已經直指蘭家鎮至范家屯一線，兩軍控制線以新京至懷德的公路線為分界。
只有南面公主嶺方向，新京還保留著一條對外通道，可以與關東軍保持聯繫。可以說新京已經三面受敵，處於一個半包圍的態勢。也就是說，在北面日軍只控制了主城區。而在東西兩面，日軍只控制了近郊，以及至雙陽、懷德公路以南的地域。
在這種態勢之下，京城內的偽滿各大機構，包括哪些牌位一樣的滿籍官員在內早就已經全部撤離。十餘萬日本僑民，除了所謂的在鄉軍人重新被徵召進入現役之外。所有的老弱婦孺也全部撤離，通過鐵路轉運至南滿。
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所謂滿籍人之中所有的技術工人、知識分子、學生，也全部被日軍強行南遷。目前整個城內，只剩下二十餘萬在關東軍眼中，除了肉盾之外幾乎已經不再有任何利用價值，生活在最底層的普通百姓。原來曾經因為是偽滿政治、軍事、經濟中心，而出現畸形繁華的新京城，已經大半成為一座空城。
經過數月的搶修，此時的新京城主城區，幾乎整個都被關東軍修建成為一所要塞。不僅市郊遍布了大大小小的明碉暗堡等工事群。就連城區內所有的地上建築，全部改造成為工事。偽滿八大部金碧輝煌的幾座大樓，全部被改成了堅固的工事群。
臨街的大大小小所有相連的建築物，內部之間全部被打通。所有臨街的除了留下射擊孔之外，絕大部分的窗戶全部被砌死。城區伊通河上的所有橋樑，都埋設上了炸藥。主要的街道上，都布滿了地雷。而新京守軍的司令部，也遷移到偽滿中央銀行那座兼顧的地下儲備室內。
經過改進後新京城的日軍整體防守體系，可謂是相當的嚴密。但是其將大部分的城區居民都遷移，也讓抗聯少了許多的顧忌。上來便動用了上至二百四十毫米榴彈炮，下至大量七十五毫米山野炮的全部火力實施火力支援。
儘管二百四十毫米榴彈炮，目前只有戰前從美國運來的一千枚，射程也相當的近。但是這種火炮的威力卻是實打實，一炮下去半個街區都變成了一堆瓦礫。面對著這款自己製造的大威力榴彈炮，挨了一頓胖揍的日軍卻是無可奈何。
即便是在第一階段會戰之中屢次吃了大虧，但仍舊找不到合適的應對之策。再堅固的工事，也扛不住一發炮彈的轟擊。在這種大威力的榴彈炮，以及大大小小上百門火炮的火力支援之下。北面發起的部隊，進展速度相當的不慢。
經過一天的激戰，北面發起攻擊的部隊。在坦克的掩護之下，經過反覆爭奪，先後拿下寬城子車站、第一國民高等學校、新京畜產獸醫大學、寬城子警察署、高砂町等新京城北日軍固守的要點。其中最堅固的寬城子車站、高砂町北部日軍陣地，都是在二百四十毫米榴彈炮的火力轟擊之下，在短時間之內順利拿下的。
戰至二十日黃昏，新京北正面的突擊部隊，已經相當一部分的兵力突入鐵路線以南的新京主城區。在新京北城區，與日軍展開激烈的巷戰。而在城西的攻勢，也逐次逼近了環城公路城西段。只有城東方向，因為日軍的頑強抵抗，切斷新京至雙陽公路的戰鬥打成了膠著狀。但第一天的進展，王光宇仍舊可以說是比較滿意的。
儘管對抗聯的裝甲集群攻勢，也與華北方面軍一樣有了一定的心理準備。但是整個新京戰場的關東軍，卻依舊被從四個方向同時壓過來的鋪天蓋地的坦克集群，打的是措手不及。尤其是懷德方向裝甲二師採取的古怪戰術，讓日軍幾乎毫無準備。成為整個新京戰場，第一面被突破的關東軍防禦地帶。
關東軍對抗聯坦克數量的上判斷，還停留在第一階段會戰之中。關東軍從上到下就壓根就沒有想到過，抗聯居然一下子會多出這麼多的坦克。原本之前發現抗聯通過鐵路將大量的坦克向西輸送，還以為禍水東移的關東軍在心中還在暗自慶幸，抗聯的裝甲鐵拳不會砸在自己身上。
儘管在戰役打響之前，前沿各部隊也多次聽到坦克發動機的轟鳴聲。甚至在新京以北的日軍，已經清晰的看到抗聯的坦克正在攻擊發起地域移動。但對於關東軍來說，抗聯坦克部隊的主力已經全部西進，剩下不多的坦克數量不過是皮毛而已，對新京戰場上的關東軍大軍沒有什麼太大的威脅。
就算全部投入到一線作戰，也不會對新京戰場上有多少威脅。儘管吃了多次大虧的關東軍，對來自抗聯內部有限的情報，已經是相當不信任了。但戰役打響之前，四洮鐵路上西運的大量坦克，卻是讓他們被迷花了眼睛。
他們將更多的精力，都用來構築防禦步兵突擊攻勢的野戰工事群上。而沒有像華北方面軍那樣，固執的認為抗聯會使用大量的坦克發起大範圍的迂迴穿插、分割戰術，而那麼拼命的想盡一切辦法湊集反坦克火力。
反倒是在發現抗聯大量坦克西運之後，將原來部署在新京周邊戰場，尤其是西面的反坦克火力，大部分調往了新京市區內。雷區的面積，也開始縮小。原本埋設的反坦克地雷，大部分都被重新起出來，送往了可能會遭受抗聯坦克威脅的雙遼一線。