但是中国守军沉着应战，这是自九一八事变以来，东北军第一次面对日军死战不退。战斗至下午，日军由于兵力退去。
3日晨，日第8师团一个多旅团的兵力在15架飞机轮流支援下对山海关南门展开猛烈的攻击。日海军第2遣外舰队的舰炮亦从山海关以东的海面上对中国守军进行轰击。
激战至14时，东南城角被日军突破，而日军舰炮则是不断炮击我后方支援部队，团长石世安组织数次反击均未能奏效，反而损失惨重。
1营营长安德馨及第2、3、4、5连连长先后战死，2个营的官兵已伤亡殆尽。石世安率残部于下午向石河西岸撤退。日军于当日占领了山海关，并很快控制了关内外的交通要道。
山海关被攻占的消息传到国内，国大哗，各大城市学生纷纷举行抗日游行，国民众的抗日呼声风起云涌，各地军阀也纷纷通电国，呼吁国民政-府迅速派大军北上抗日，收复失地。