蘇軍在東部地區的進攻開始後，以多路越過橫廣正麵，在大量炮兵、坦克、機群的掩護下，向縱深推進，很快摧毀了日軍倉促組織起來的第一線防禦，和繞過了日軍構築多年的東寧、綏芬河、虎頭等堅固築壘地域。 東部蘇軍之攻擊重點，是沿著綏芬河向西的鐵路玫占牡丹江。防守在這一帶的日軍第124師團，在開戰前其所屬之步兵第271、272、273聯隊及師團之炮兵，原在綏陽地區布防。但在6月下旬奉命將其防區後移至穆棱鎮地區。蘇軍進攻時，這個師團將其271聯隊部署於鐵路以南地區，第272、273聯隊和15公分口徑榴彈炮、30公分口徑榴彈炮、15公分口徑加農炮等炮兵部隊均部署在穆棱鎮的鐵路以北。為了加強該師團之守備力量，第5軍還從135師團中抽出兩個步兵大隊歸其指揮。 8月11日上午，蘇軍對124師團的陣地，首先以猛烈地炮火對其進行破壞性的射擊，空軍則進行猛烈的轟炸，至8月12日中午，蘇軍已攻入敵124師團穆棱鎮的主陣地。由於蘇軍機群的連續轟炸，炮兵部隊的猛烈射擊，坦克部隊和步兵的來往衝殺，此時敵在穆棱鎮路以北的炮兵陣地已被摧毀，火炮大部被炸壞。 由於蘇軍在立體和平麵上的強攻，敵124師團傷亡很大，如273聯隊長及3個大隊長全部戰死。至8月13日僅兩天這個師團已無力再組織抵抗，在該師團行將覆滅前，其272聯隊長竟要求集合全部尚剩人員，以軍旗開道與蘇軍進行最後一次決死之衝殺。但此時的椎名正健中將知大勢已去，全師團己潰不成軍，後方亦被蘇軍迂回隔斷，因而他決定撤出戰鬥，率殘部潛入鐵路兩側之林區而後撤。
就在第124師團與蘇軍激戰時，第5軍司令官清水規矩正在調集部隊以加強對牡丹江市的防守。調在密山地區的第135師團，至牡丹江市東北就近的樺林地區；調在八麵通的第126師團至牡丹江以東鐵路線上的四道嶺地區，與135師團組織正麵防守。當126師團一部於11日晚、135師團一部於13日晚到達指定地區，正在挖單人掩體和交通壕時，其在穆棱鎮前方的第124師團已被殲滅。蘇軍一部已迂回至磨刀石車站。
為阻止到達磨刀石的蘇軍繼續前進，清水規矩急調其軍部之幹部教育隊一個大隊約1千人和後勤幹部教育隊約600人，並配備了1個15公分口徑的榴彈炮中隊及135師團增強第124師團的兩個步兵大隊，由第3野戰築城隊隊長小林大佐指揮，部署於磨刀石以西之鐵路兩側。
由於電話不通和電台聯絡不暢，直至8月14日的半夜，敵第5軍守衛牡丹江市的作戰計劃才上報至敦化的方麵軍司令部，但喜多誠一訓令第5軍，應奮力抗擊以阻止蘇軍，不得已時部隊後撤至橫道河子和敦化地區。
第5軍組織四道嶺地區防禦，時間非常倉促。先到達該地的126師團，以掖河車站為中心，向東、向南形成半圓形之防禦地帶。師團司令部位於掖河站以南之兵器廠。277聯隊位於掖河車站以南；278聯隊位於掖河車站之東南（亦在鐵路以南）；279聯隊在四道嶺鐵路正麵兩側，並派出一部扼守鐵路北側之高地。
原在密山的第135師團，到達牡丹江東北的樺林與四道嶺之間新陣地的時間較晚，因接到緊急轉移命令時，其368聯隊還在虎林鎮，而該聯隊尚有分散在鬆阿察河沿岸和烏蘇裏江邊的獨木河及在饒河縣城的部隊，此時部分鐵路已經被蘇軍控製，368聯隊將收攏的部隊沿著鐵路以北向西，步行至裴德才與369聯隊、至雞西才與370聯隊會合，乘火車至牡丹江以東地區，然後進入新陣地。
敵135師團撤離密山地區後，在雞西、密山、虎林、饒河一帶，已無日軍的主力，此時僅有在虎頭的第15國境守備隊，根據第1方麵軍“沒有另外的命令不準撤退”的規定，依托其築壘地域繼續進行頑抗，但該守備隊此時對周圍的軍事情況一無所知。事實上在蘇軍於8月9日發動突然的大規模進攻後的第一天，凡處於戰場上的日軍部隊，幾乎都陷入混亂，不僅是各聯隊與其師團，就是軍與方麵軍都很難聯係上，這樣各部隊不知當前總的情況，而其指揮機關亦不知部隊的位置及處於何種狀態，因而無法了解和通報情況，命令、指示亦無從下達。
敵第5軍從四道嶺至樺林布防的兩個師團，尚未構築好陣地時，蘇軍於13日中午由空軍配合經強攻，消滅了磨刀石地區小林大佐指揮的教導隊等約3500人之後，繼續沿鐵路兩側西進。
此時蘇軍的空中偵察部隊，通過目視偵察及空中攝影，已知日軍在牡丹江市以東的設防情況。因此，8月14日蘇軍一路沿鐵道兩側攻向四道嶺，另一路迂回至牡丹江東北敵135師團的369、370聯隊之正麵（該師團用前三角形部署了3個聯隊，師團司令部與368聯隊在後）並很快又發起空地聯合攻擊，經兩天激戰，至8月15日，敵這兩個師團已大部傷亡在固守的陣地上。蘇軍除了對這兩個師團進行直接圍攻外，另在鐵路南、北以遠地區，各以一路對敵第5軍及牡丹江市進行戰役性的大迂回。北路從八麵通西進經新興、自興、柳樹河子，而達牡丹江市以北鐵路線上的朱家溝；南路從穆棱鎮經三岔屯、大石頭河、天嶺以西，到達了牡丹江市以南鐵路線上之寧安。此時清水規矩的第5軍，意識到情況已相當嚴重。
清水規矩及參謀長河越重定，都是久經戰場的人，而且均在我國關內作過戰。這次蘇軍從8月9日開始大規模進攻之後，清水、河越都感到這與他們以往所遇到之對手的最大不同點是：戰術上的多路機動迂回；戰鬥動作上的步、炮、坦克、航空兵的密切協同；戰鬥作風上的快速勇猛；作戰中坦克、炮兵竟成了地麵部隊的主體；在戰場上空軍機群則對有限範圍內的目標進行集中轟炸，以達徹底摧毀。
從開戰以來，敵第5軍之124師團，在已設防的情況下，從11日至13日即基本被殲滅；現蘇軍又以多路向兩翼迂回，在牡丹江以東布防的兩個師團，作戰僅一天，卻又發生了很大的傷亡。至8月14日，敵第5軍之傷亡竟高達兩萬餘人。
清水、河越對當麵的嚴重情況進行分析，認為：當前蘇軍之目的是以重兵奪取牡丹江這一軍事要地，圍殲在該地的日軍，然後西進至滿洲中心地帶——哈爾濱。由於形勢不利、力量懸殊、傷亡太大，8月15日中午清水規矩決定，將126、135師團及第124師團殘存的部隊撤出牡丹江地區，沿鐵路西退至80公裏外的橫道河子扼守。隨之，蘇軍第5集團軍的部隊於8月16日進入了牡丹江市，而西撤之敵第5軍在17日的晚也退至橫道河子一帶。
在延吉方向，敵擔任防守的村上啟作之第3軍，於8月9日夜得到了前方的報告，知蘇軍已向琿春、春化、東寧發起進攻。之後，該軍各部隊即按預定計劃進行防守，但未能逃脫被殲之命運。
第127師團位於龍並以東之八道河子，其第280聯隊部署在琿春以南的五家子一帶，作第一線警戒與防守；第281聯隊部署於開山屯以北之石建坪地區；第282聯隊則被部署在圖們江邊的開山屯一線。其在五家子地區的280聯隊，距師團的主陣地約有45公裏，所以蘇軍進攻後，這個聯隊即後撤。第127師團因處於戰場南部的偏僻地區，未遇到大的戰鬥，傷亡亦小，在整個作戰中僅傷亡、失蹤約530人。
位於圖們的第79師團，其291聯隊部署於朝鮮北部邊境上之訓戎裏（琿春正西，係三岔鐵路口，通向琿春之鐵路現已拆除）地區，進行警戒與防守；289聯隊部署於圖們市當麵附近之沿江地帶；290聯隊部署子圖們西南沿江之傑滿村一線。開戰後，第一線之291聯隊第1大隊在訓戎裏以南的山地與蘇軍作戰時傷亡了約140人，即後撤。
第112師團位於汪清，其247聯隊部署於琿春縣的涼水鎮、密山屯、甩灣子一帶；248聯隊則部署在汪清南鐵路以東之寺洞、北鳳梧洞、南陽一帶；246聯隊則部署在汪清東南之十裏坪的鐵路線上。其任務是以陣地防禦，抗擊蘇軍由琿春進至汪清，掩護圖們防守部隊之左翼與保護圖們向北之鐵路交通。蘇軍進攻後，在密山屯、涼水鎮的江邊隘口地區發生了激戰，不但防守在該地的247聯隊被消滅和不少人被俘，而應急前往增援的部隊在中途即遭殲滅。雖然這一帶是山地林區，但亦無法阻止蘇軍空中、地麵部隊湧浪般的進攻。此刻處於絕望中的師團長中村次喜藏中將、參謀長安木龜二大佐，均在戰場上自殺。
第1機動旅團歸112師團指揮，其裝備是以輕武器和各種破壞性武器為主。原任務為單獨隱秘深入至蘇聯境內破壞鐵路、橋梁、重要設施，並放火、突然襲擊與製造恐怖和混亂。共有3個機動聯隊，機動第1聯隊部署於春化。機動第2聯隊部署於老爺嶺。機動第3聯隊部署於汪清。8月9日作戰開始後，在春化的第1聯隊與蘇軍接火後，退至汪清地區進行防守。
第128師團位於羅子溝，其284聯隊位於老黑山既設陣地，進行警戒和防守，其285聯隊位於羅子溝；283聯隊位於羅子溝以北大堿場（共和）地區。8月9日在第一線的284聯隊突遭蘇軍攻擊向羅子溝撤退中遭到追擊。在羅子溝兩天的戰鬥中（即13日、14日）第284、285聯隊及野炮兵第125聯隊傷亡較大，尤以第284聯隊傷亡最重，達總人數的三分之一以上，火炮、重機槍全部丟失。經其師團長水原義重請示第3軍司令官村上啟作之後，該師團後撤至天橋嶺車站以東的樺皮甸子。
獨立混成第132旅團又稱東寧支隊，歸128師團指揮。但該旅團有兩個獨立步兵大隊，固定於東寧第1國境守備隊之陣地上，即獨立步兵第783大隊位於國境守備隊的三岔子以南、大烏蛇河邊的興隆屯第1守備區；獨立步兵第786大隊位於國境守備隊三岔子以北、郭亮船口之第4守備區。8月9日蘇軍向東寧的敵第1國境守備隊發起進攻，當晚該旅團奉命除留一部固守東寧築壘地域外，其餘主力後撤至大堿場。8月13日到達大堿場時，奉命一並指揮在大堿場的283聯隊。
由第1方麵軍直轄的第134師團位於佳木斯，其主力部署在佳木斯至方正一線。在前方的富錦縣城駐有367聯隊之第2大隊；366聯隊之第2大隊則駐於鶴崗煤礦區。8月10日蘇軍由鬆花江口上溯的內河艦隊與陸上部隊進攻富錦，367聯隊的第2大隊堅守了1天多之後大部被殲，一部逃脫；在鶴崗的第366聯隊之第2大隊經戰鬥後，撤至佳木斯。蘇軍大部隊對這些日軍的小據點，都采取繞道前進，僅派出一部予以圍殲。第一方麵軍給予134師團之任務是製止當麵蘇軍之進攻，利用地形作持久抵抗。蘇軍的進攻是以一路從同江、二龍山、向陽屯、富錦、花馬、集賢攻向佳木斯；一路以內河艦隊沿鬆花江上溯至佳木斯、依蘭、通河、哈爾濱；一路從名山、蘿北、鳳翔、寶泉嶺、鶴崗向佳木斯進攻。
根據以上情況，井關仞未敢在佳木斯附近組織有力的抵抗，而將部隊沿江後撤至方正縣以東的大羅勒密一線組織抗擊。第365聯隊位於大羅勒密。第367聯隊位於大羅勒密以南。第366聯隊位於大羅勒密鬆花江北岸及祥順一帶，以控製江麵與北岸之陸上交通。
（四）敵第4軍在黑河、孫吳、海拉爾地區之防守
上村幹男的第4軍原作戰部署是：第123師團位於孫吳。獨立混成第135旅團位於璦琿的西崗子山口地區；獨立混成第13右旅團守備嫩江；第119師團守備博克圖；獨立混成第80旅團守備海拉爾；第149師團守備齊齊哈爾；獨立混成第131旅團守備哈爾濱。
第123師團與獨立混成第135旅團，分別在孫吳、西崗子地區設防，阻止蘇軍由璦琿經西崗子、陡溝子、大嶺、嫩江、訥河而至齊齊哈爾，和由孫吳經辰清、龍鎮、北安而攻向哈爾濱。第123師團在其主陣地上除所屬炮兵外，還得到了4門24公分口徑榴彈炮的配屬；獨立混成第135旅團則得到10點5公分口徑的榴彈炮6門和同口徑加農炮4門的加強。
8月11日淩晨，蘇軍紅旗第2集團軍，一路在黑河、璦琿附近的黑龍江西岸，攻向西崗子；一路向奇克、霍爾莫津（現名沿江鎮）進攻，消滅在這裏的日軍兩個大隊，接著攻向孫吳第123師團的主陣地。14日主陣地被蘇軍突破，向縱深發展。
獨立混成第135旅團，則以其獨立步兵第268、第269、第270大隊及挺進大隊在西崗子進行堅守，還派出一個大隊扼守黑河至嫩江的鐵路（此路至嫩江段已被拆毀）。
防守在海拉爾的獨立混成第80旅團，轄有獨立步兵第583、第584、第585、第586、第587大隊和1個挺進隊，主要是依托海拉爾北山的地下防禦工程及西山森林中之堅固工事進行防守，但蘇軍第36集團軍在該地留下部分軍隊繼續進攻外，主力則沿鐵路東進，攻向齊齊哈爾。當到達烏奴爾地區時，與防守在該地的敵獨立步兵第585大隊進行了戰鬥。
（五）敵第3方麵軍在白城子、鄭家屯、錦州、沈陽地區之防守
當蘇軍從西線發起進攻後，後宮淳即決定將西線的部隊後撤至中長路沿線，準備在該地與蘇軍決戰。接到命令後行動較快的師團和第44軍，都按計劃撤至預定地區，在錦州的第108師團主力也到達了遼陽。但位於白城子以西五岔溝的第107師團，因行動遲緩而被從農乃廟過來的蘇軍摩托化部隊將其退路切斷。為防止蘇軍的進攻，隻得在這條鐵路以北較遠的草原上，徒步行軍東撤，與上級失去無線電聯係。此時蘇軍後貝加爾方麵軍的空中偵察部隊，一直掌握著敵107師團慢速度撤退情況。當該敵接近紮賚特旗地區時，後貝加爾方麵軍電令第36集團軍，以裝甲部隊從富拉爾基以西的景星，攻向以南的紮賚特旗，經數度攻擊後，該師團最後已潰不成軍。
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