在接连获得了西线和南线两个战场的胜利后，超过十五万东北军气贯长虹地开赴东线战场，与日军第3军决战于青堆子湾、岫岩、凤城等辽东半岛东部和辽宁省东南部。天空中战机如云，地面上铁流滚滚，而东北军的炮兵规模和炮火强度更加是日军的十倍有余，面对如此气吞山河的狂潮大军，纵然第3军司令官、皇道派骨干松井石根大将是一个坚定而狂热的军国主义分子，也不得不望而生畏。进攻的东北军在炮群、机群、坦克群、毒气弹的开路下，高歌猛进、摧朽拉枯，位于青堆子湾的日军第19师团首当其冲，在东北军铺天盖地的炮火和排山倒海的进攻下，短短一天之内就战死五千余人。负责东线战事总指挥的高维岳一边指挥主力部队对青堆子全力猛攻，一边抽调精锐部队联同坦克部队攻击孤山镇。孤山镇是青堆子湾的后方，又是岫岩的侧翼要地，如果孤山镇落入东北军之手，第19师团就会三面被围、背水一战，而岫岩的第5师团也会丧失侧翼。唯恐自己陷入全军覆没境地里的第19师团师团长牛岛贞雄中将在没有得到松井大将命令的情况下，急匆匆地率领全师团抛弃青堆子湾，与第5师团合兵一处，在岫岩东部联合抵御东北军的猛烈进攻。青堆子湾被东北军收复，使得日军在东北领土上除了安东外已经没有其他控制的沿海港口了。
此时东线战场上的日军部队，除了第5、第19、第13、第15师团这四股纯血统的日军外，还有韩籍日军的3个旅团。迫于兵力匮乏的日军在战争后期临时在朝鲜半岛组建了这3个旅团的傀儡军驱赶至东北战争充当炮灰，番号分别是独立第1、第2、第3混成旅团，三个旅团长都是韩国人，但各个联队长、大队长却基本都是日本人。伪韩军第1旅团旅团长不是别人，是“大韩帝国”开国皇帝朝鲜高宗李熙的幼子、英亲王李垠。李熙是在朝鲜历史上第一个称帝的君王，但他所处的朝鲜时代正是朝鲜被日俄争夺的时期，基本就是日本人的傀儡，所谓的称帝也不过是场闹剧。李熙有三个儿子活到了成年，长子李坧继任帝位，但当上皇帝三年后就被日本强迫签署了《日韩合并条约》，使得日本彻底吞并了朝鲜，李坧也成了亡国之君，被日本人封为日本亲王，十几年后像南唐后主李煜那样郁郁而终；李熙的次子李堈和幼子李垠也被日本人封为日本的皇亲国戚。李堈表面上吃喝玩乐、沉迷酒色，实际上秘密支持韩国的复国势力，和韩国临时政府首脑金九等人暗中有来往，甚至还想逃离日本人的控制，投奔韩国复国势力，但被日本人察觉并加强了软禁，而李垠则是个很矛盾的人物，他亲日、惧日、怀念韩国、爱惜韩国百姓，认为韩国不可能还能脱离日本的统治，他一方面害怕日本的实力，一方面也很羡慕日本的强大，所以对日本人有些逆来顺受，但他同时也很关心韩国民众的生活状况，努力在日本人的威逼下为自己的故国遗民谋取福祉。由于李垠对日态度比较温顺，并且也得到朝鲜人的爱戴，因此日本人也乐得对他进行“重用”，以此宣扬“日韩一家亲”。成立伪韩军第1旅团后，原本是日本陆军大佐军衔的李垠立刻被晋升为少将并担任第1旅团旅团长职务，第2旅团旅团长洪思翊和第3旅团长李秉武则都是忠于日本、受过正规军事训练的朝鲜人（其实就是比较有能力的韩奸）。
伪韩军每个旅团约5000人，三个旅团共1.5万人，开赴东北战场后主要承担给日军负责防御后方的任务，基本没有跟东北军直接作战。但在日军兵败如山倒的这个情况下，三个伪韩军旅团也都被送到最前线参战。
松井大将的饥不择食，只是白白地让东北军增加了战果，因为伪韩军在跟东北军交战后基本是一触即溃。虽然此时的朝鲜是日本的一部分，但朝鲜人都是二等公民，在日本境内，朝鲜族日本人的地位远远低于和族日本人，饱受歧视和凌辱，跟美国境内的黑人白人的关系差不多。在这样的情况下，伪韩军自然不会给日军真的卖命，因此东北军一个冲锋，伪韩军就一败涂地。
东北军官兵们一开始还很好奇，不知道这些新来参战的日军怎么这么软弱。只见狼藉遍野的战场上，大批穿着日军制服的伪韩军举手投降，并用汉语大喊：“我们是韩国人！不是日本人！”官兵们这才恍然大悟。（朝鲜在被日本吞并之前，汉化程度非常高，基层的普通百姓都会说汉语）
获悉伪韩军参战后，高维岳向东北军总司令部请求把韩国光复军和韩国临时政府里的宣传人员调到最前线，对伪韩军展开心理战。东北军的阵地上随后竖起一个个高音喇叭，一个个韩国光复军的士兵和韩国临时政府的宣传人员趴在喇叭后，高声喊道：
“伪韩军的士兵们！我们也是韩国人，我们正在为韩国的光复而战斗！同胞们，中国人是我们的盟友，日本人是我们的敌人，我们要跟中国人联合起来，对付中韩两国的共同敌人日本，同时我们所有的韩国人也要团结起来！一起为祖国的光复而战斗！你们怎么能跟在灭亡我们祖国的日本侵略者后面为虎作伥呢？你们这样做，是数典忘祖、认贼作父的韩奸行为！你们的亲人朋友和你们的祖先父母都会因为你们而蒙羞的！日本人只是把你们当成给日军挡子弹的炮灰而已！你们为日本人卖命而死在战场上是毫无意义！日本人不在乎你们，中国人也不在乎你们，韩国人更加不在乎你们！你们为什么不到我们这边来呢？跟我们一起为三韩大地的光复而战斗！我们跟中国盟友一起，把日本人先赶出中国，再赶出韩国！在我们这边战死了，是流芳百世的，而在日本人那边战死了，是遗臭万年的！同胞们！到我们这边来吧！...”
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客观上讲，战场上的这一幕是非常讽刺的：参加战争的韩国人分为两批，一批跟在日本人的后面为做狗腿子，一批跟在中国人的后面狐假虎威。但毕竟跟着东北军作战拥有正统名义和道义上的优势，因此随着东北军展开攻心战，大批的伪韩军士兵纷纷溜过来“弃暗投明”。另外，李垠表面上对日本人十分温顺服从，但内心里也希望韩国能光复，虽然他不可能亲自率领部队临阵倒戈（李垠的身边有监视他的日本顾问，同时他的妻子也是日本人，并且夫妻感情非常好），但对自己部下向东北军投降的行为，李垠睁一只眼闭一只眼，不但不阻止，甚至还默许和怂恿。
在这样的情况下，伪韩军投降得更欢了。几天的“激战”下来，伪韩军第1旅团的死伤人数只有一千多，但“失踪”的人数却达到两千多，至于“失踪”是什么意思，各方都心知肚明。正式参战一星期不到，伪韩军第1旅团就失去了战斗力，因为超过一半的官兵都在战场上跑了，而第2、第3旅团的情况也差不多。东北军抓到的伪韩军俘虏和投降的伪韩军足足超过五千人。韩国临时政府获悉后，急忙派人赶来接收和改编这些伪韩军。韩国光复军在本溪战役中几乎全军覆没，如何取得兵源并重建武力是金九等人最头疼的事情（张学良严厉不允许韩国临时政府招募中国境内的朝鲜族中国人参加韩国光复军），这些伪韩军都是受过日军训练的，自然是捡现成的最佳兵源。在战场上临阵倒戈的伪韩军换了一套军服后，改变阵营和立场的他们立刻以“韩国光复军”的身份跟着东北军进攻日军。原本在日军阵地上对东北军开火的伪韩军转眼间跑到了东北军的阵地上并对日军开火。
这场战争进行到三月中旬的时候，已经基本进入了尾声。虽然东北军在东线战场上发动的攻势也是节节得手，但日军这4个基本满员的师团进行负隅顽抗仍然较为坚固，而在日本国内，反战声音已经越来越猛烈。由于裕仁天皇旗帜鲜明地要求早日结束战争，再加上日军在辽东半岛战场上的惨败使得皇道派的主要首脑、陆军大臣荒木贞夫最终灰头土脸下台，取而代之的是较为温和的川岛义之，支持皇道派和对外扩张的首相平沼骐一郎也被深受裕仁信任的侍从长兼枢密院顾问官铃木贯太郎取代。皇道派的实力和影响力因为东北战事的惨败而江河日下。同属于温和派的川岛义之、米内光政分别担任陆军大臣、海军大臣的日本陆海军已经无意继续战争，即便第3军目前在东线战场上还算支撑得住，但也毫无意义了。另外，裕仁因为日本陆海军的惨败和重大损失而痛心疾首，同时他更加害怕东北军会反攻进朝鲜境内，因此命令首相、陆相、海相迅速结束这场战争。与此同时，铃木贯太郎首相让重光葵在南京谈判桌上进行退让，以“恢复和平并重铸日中亲善友邦关系”。3月20日，谈判的二国三方在谈判桌上达成协议：中日正式停战，日军全面撤离东北，退回到鸭绿江南岸；日本政府向东北政府赔偿1.5亿美元，或者日本政府向东北政府赔偿1亿美元，但把济州岛租借给东北政府，租借期限为20年。
东北方面还特地提出一个条件：东北军向日军投降的所有叛变官兵，都必须交给东北军。
沈阳方面，张学良虽然渴望前线部队再接再厉，但于学忠、王以哲、高维岳、杨杰等前线将领们坦诚地告诉张学良，虽然战果辉煌，但东北军自身也伤亡惨重、损失巨大，前线部队都精疲力尽，继续打下去并不划算，东线战场上的日军可以通过朝鲜半岛源源不断获得物资补充，此时见好就收是最佳的选择。张学良从善如流，同意了这一点。
至于停战条件，为了东北海军的未来考虑，张学良批准了第二条。
4月1日，双方停火。到4月4日时，日军第3军全面撤离东北，退往鸭绿江南岸。至此，中日第二次东北战争全面结束。
在日军全面撤退的过程中，原东北军第108师师长张海鹏、第108师第530团团长郑殿升、第108师第531团团长牛永福、第108师第532团团长杨得生、原第9军军长兼第109师师长于芷山、第109师副师长孙德荃、第4军第119师师长崔兴武、第123师第589团团长李福和、第117师第567团团长邵本良等3000多名叛军官兵都被日军交还给了东北军。在日军自身都自顾不暇的这个时候，哪还会管这些走狗爪牙的死活。尽管张海鹏、于芷山等人请求跟着日军一起撤退到朝鲜半岛，但日军还是把这些叛军都缴械并全部押解交给东北军。第107师师长刘多荃随后奉命率部接收这批叛军。鸭绿江边，已经停火的东北军和日军十分冷淡地进行交接程序。日军匆匆忙忙地开向了江对岸，而在江北岸，被日军缴械并被反绑双手的张海鹏、于芷山等叛军眼看着自己被遗弃，自知即将迎来秋后算账且必死无疑的叛军官兵有的呼天抢地、拼命挣扎，有的面如死灰、瘫倒在地，有的嚎啕大哭、追悔莫及，更多的则是破口大骂正在过江并把他们扔下的日军。铁青着脸过来接收的第107师的官兵们无不用深恶痛绝的眼神看着这些丑态百出的叛军。根据张学良的命令，第107师的官兵们把叛国官兵在鸭绿江边分批集体处决，尸体焚烧后将骨灰都倾入鸭绿江，张海鹏、于芷山、崔兴武等团级以上的军官全部枭首示众。张学良命令把叛军的处决过程用摄像机和照相机拍下来并送到各部队进行播放，以震慑军心。
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