加之山海关市民，为感谢落合的调解，使城市免遭战火而进行了一些酬谢活动，这使得落合的部下更为不满。

经过一段酝酿，日军守备队中的儿玉中尉等，藉口在其营门附近发现了中国军队的手榴弹，面自动率其部队首先破坏市内通信，切断了电话线，接着向南关和山海关车站进行攻击。

在此时刻，伪军的便衣队乘机进入市内，到处鸣枪造成市内的更大混乱，企图一举占领山海关。

驻于市内的第626团团长石世安当即命令部队进行抵抗，致使日军的阴谋未能得逞。

山海关的日军被击退之后，分别向天津驻屯军、锦州第8师团去电，请求支援，并向国军驻山海关的步兵第9旅提出不少无理要求，限50分钟内答复。

由于这些要求太过于无理，且日军态度蛮横，随即被驻军拒绝。

随后日军开始攻城，他们先是将中国驻南关之警察缴械，随之第8师团向步兵第9旅送来最后通牒，要求守军撤出山海关。

再次遭到守军的拒绝之后，日军即以4辆兵车及3辆铁甲车从锦州到达山海关，开始发动攻城战。

与此同时，驻锦州机场的关东军飞行队第10大队亦飞抵山海关上空配合作战。