9月2日上午，辽阳战役爆发。
由于日军在辽阳城内部署防线，因此东北军的炮兵团和航空兵都不敢参战，避免炮击和轰炸会误伤辽阳居民。奉命进攻的东北军第106师、第110师、第111师的官兵们不得不以有限的迫击炮、步兵炮作为火力掩护，在城内和日军展开逐街逐巷的争夺拉锯战，再加上投鼠忌器，因此进度缓慢、战事激烈。整个辽阳在战火中彻底鼎沸，在军官们声嘶力竭的呼喊命令声中，跨过太子河后兵分三路展开进攻的东北军与日军在东堡、迎水寺、韭菜园等多个交通中枢处展开了激战。双方官兵操控着的一挺挺机枪步枪齐齐怒绽烈焰，一门门迫击炮和步兵炮齐齐弹火出膛，雨点般的手榴弹更是在双方之间劈头盖脑地来回飞舞。冲向日军阵地的东北军前赴后继地淹没在了遍地的血泊和机枪绽放开的死亡风暴中，令人眼花缭乱的弹火弧光组成了一道道密不通风的火力网，枪炮巨响简直是惊天动地，在撕心裂肺的扫射声中，子弹和炮弹宣泄的密度犹如瓢泼暴雨，浓烈的硫磺味和血腥气一起骤然腾起。日军的反击力度非常强劲，冲在最前面的东北军在日军的火力网中几乎全部被拦腰斩断，一排排断裂了的躯体喷涌着一股股血泉，被机枪子弹打成烂西瓜的头颅遍地乱滚，肉泥般的碎肉和破裂的内脏齐齐漫天樱花瓣般飞舞。
操控机枪和迫击炮掩护步兵的东北军射手和炮手们舍生忘死地不停移动阵地，各个机枪阵地上，滚烫的弹壳犹如玉米粒般飞舞，机枪手竭力不断射击，弹药手不断更换新的子弹链，副射手不断地把凉水泼到炙热发红的枪管上，被滚滚白色蒸汽所笼罩的机枪阵地犹如蒸馒头的笼屉般。交战区域的几条街道上弹如飞蝗、血流漂杵，战斗场面非常激烈，被机枪子弹射中头部和身躯的双方士兵犹如风雨中的麦浪般滚滚倒地，脑袋被子弹旋转的强大威力给搅成碎片，身躯被爆开脸盆大的血窟窿，被子弹击中胳膊或大腿的双方士兵四分五裂、肢骸乱舞。部分进攻的东北军一头扎进日军的火力网中，犹如开进了绞肉机。在日军的怪叫声和震耳欲聋的扫射声中，数十上百道刺眼的弹痕犹如电焊的弧光般在进攻的东北军人群里来回交叉地反复地横扫，高度密集的官兵在哀鸣和血雨中支离破碎、东倒西歪。弹雨飞火烈焰所到之处，成片成片的东北军化为纷飞的血雾肉雨，站成一条线的东北军官兵在被同一梭子弹射中后四仰八叉、手脚乱舞地滚滚倒地，破碎的肢体在飞舞的血水中溅满地面。后续的东北军炮兵们奋勇作战，流星般呼啸向日军的炮弹在日军的人群里不断炸开犹如仙女散花般漫天飞舞的碎肉，落弹处地动山摇、血肉横飞，日军一圈圈地被炸飞或化为一滩滩稀烂的骨骸。进攻的东北军死伤惨重，战斗腥风血雨，成片成片的东北军血如泉涌地倒地；而日军阵地上也同样是遍地肉泥、血水横流，残缺不全的尸首交相枕藉、狼藉遍野，日军不断地化为地上的一滩滩肉泥或空中的一团团血雾，四分五裂的尸体和鲜血淋漓的残肢断臂犹如红色的木头般遍地横卧，天空中落下的碎肉就像下雨一样簌簌不断。
双方在围绕关东军总司令部的城区内短兵相接，都死伤巨大。
为鼓舞士气，师团长多门二郎中将、旅团长天野六郎少将、联队长浜本喜三郎大佐等高级军官纷纷在最前线的阵地上督战，勉励士兵“破釜沉舟，背水一战”。第16联队的日军既是日本陆军著名劲旅第二师团的一部分，因此战斗力、战斗素质、战斗精神确实堪称一流。尽管东北军在人数上占绝对优势，日军却毫无惧色、死战反击。东北军的炮兵们表现很优秀，迫击炮和步兵炮都牢牢地压制了日军，轰得日军阵地上电闪雷鸣、碎石横飞，但日军在爆炸后迅速恢复强悍的本色，嚎叫着还击，其视死如归的精神令东北军很多参战官兵都自叹不如。
东北军的很多军官也身先士卒，大部分团长营长级的中层军官都带头冲锋，因此而付出了很大的代价。第106师第521团团长张作舟上校在率领部队渡过太子河时被日军发射的迫击炮弹炸成重伤，随后在野战医院里不治身亡；第110师第538团团长刘乃昌上校在巷战中被日军冷枪击中头部，当场阵亡殉国；第111师第541团团长吴德林上校奉命进攻石咀子村的日军防线，部队连续进攻三次都徒劳无果，吴德林在焦急之下，组织敢死队并自任敢死队队长，发动冲锋后，敢死队死伤殆尽，吴德林也中弹身亡，但该团的两个原本被吴德林命令率队紧随敢死队发动第二波攻击的营长却畏缩不前，都趴在地上不动。事后，这两个营长全部被东北边防公署军事法庭判处了死刑。
东北军和日军在激战中都付出了严重的伤亡，但遭殃最大的却是辽阳的老百姓。双方猛烈交手的地方全都成了瓦砾废墟，建筑楼房被炸得支离破碎、轰然倒塌，街道上血流成河，数以千计的辽阳居民被战火误伤。
战斗持续到下午，进攻的东北军三个师基本没有取得突破性进展。火急火燎从沈阳赶来亲自督战的第1军军长王以哲又急又怒，召集了三个师长和三个副师长，给予了严厉训斥。王以哲怒道：“养兵千日，用兵一时！国家和老百姓平时养你们做什么的？不就是为了让你们在保家卫国的时候发挥应有作用吗？现在正是我们为国尽忠、报答人民的时候！可是看看你们的这副德行！三个主力师，却打不垮区区七八千的日军！简直是耻辱！”
几个师长和副师长都被骂得狗血淋头。
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