东北抗联总司令部命令，以第四师师长王文年、第三师师长郭邴勋指挥之第三、第四师阻挡日军进攻主力并且把他们拖住在孙吴县境内。郭邴勋接到命令后，与王文年等人一起研究了有关阻击作战的具体问题，随即向各团发出指示：根据孙吴县地区特点和几天来的阻援情况，各团应注意依托村落构筑必要工事，主要阵地应伸出村外100～200米处构筑，构成品字或梅花形据点，各村落四周构成独立支撑点，各支撑点可以独立防守或相互支援；兵力部署要少摆多屯，指挥员要掌握1/3的兵力作为机动力量；火力配置要实行固定火力与机动火力、正面火力与侧翼火力互补，防御前沿和纵深要成梯次，构成曲直相辅、远近交错、正侧结合的浓密火力网；反敌坦克手段要多样，构筑反坦克壕、设置反坦克雷场、组织反坦克小组等。按照王文年等人的部署，抗联集结一个半师和数个守备团部队加上游击队共数万人的部队，沿着卧牛河修建数到防线工事，严阵以待阻击日军，把日军进攻的脚步牢牢地控制在这个地区。
4月13日四时，日伪军以30门大口径火炮、47辆坦克、30余架飞机对抗联30公里防御正面开始火力准备，其中对北山前沿的两处防御阵地轰击特别猛烈，以期待能打开突破口，使用了近50余门火炮、10辆坦克和5架飞机，火力密度高达每秒落弹六发。如此猛烈的炮火，使得在坑道中的抗联战士觉得简直就像是乘坐着小船在波浪滔天的大海上颠簸，强烈的冲击波激荡着坑道，不少人牙齿都磕破了舌头、嘴唇，甚至还有一个十七岁的小战士被活活震死！还有很多被炮弹炸的尘土埋在坑道下面。
坑道里的守备部队步话机在炮击刚开始就立即呼叫卧牛河的005高地团指挥所，但炮火实在太猛烈，步话机的天线刚刚架起，就被炸掉，在短短几分钟里，坑道里储备的十几根天线全数被炸毁，仍无法与指挥所沟通联系。而电话线更是被炮火炸得不成样子。团部电话班副班长牛石头冒着铺天盖地的炮火前去查线，他一路上边躲避炮火，边接上断线，随身携带的整整一大卷电话线用完，还差了一截！已经多处负伤的牛石头来不及多考虑一手抓起一头断线，用自己的身体接通了线路，用生命换来了三分钟的通话时间，在团指挥所的三师二十五团团长就在这宝贵的三分钟里向坑道部队下达了作战命令。
河对岸的猛烈炮火也同时惊醒了位于四公里外协振屯的三师师部，当时三师只有郭邴勋师长在指挥岗位，师政委张凌峰正在去胜山要塞向总政委报告这里的情况，同时也劝解总部机关向西渡过嫩江去一军区避一下，副师长周岳武则带领三师的另外两个团在鬼子后方打游击，参谋长胡殿虎正在去后方的后勤部领取所需的弹药和物资。战斗进行了几个小时，师部与前线部队的联系完全中断，对敌情我情一无所知，郭邴勋只得命令师直属侦察营派人去前线了解情况，第一批人在半路上牺牲了，第二批两个人几经周折终于来到北山高地的5号阵地，此时阵地上一个营的战士被日军的轰炸下只剩下不到一个连的士兵，日伪军正蜂拥而来，他们毫不犹豫立即投入战斗……师部知道具体情况已经是13日的黄昏了。
抗联总司令部设在卧牛河以北的胜山要塞（霍尔莫津要塞），13日一天司令部只知道日本关东军对三师侧翼北山阵地的、四师东兴屯、腰屯道班河南屯、山河屯、红跃等抗联防御阵地都发动了攻击，其他具体情况一无所知，周保中只好命令卧牛河上游的观察所每半小时报告一次情况，同时命令三师、四师每半个小时通报各自正面的情况。周保中认为别看日军初期进攻很猛，但是也只是三把刀，只要挺过最艰难的时期，剩下的就是看谁挺得住，只要把日军主力牢牢的拖住这里那总司令的进攻计划也能更好的实施并成功，到时日军主力不战自退，只是日军此次出动的兵力共三个旅团一万余人，单以这些的兵力是不可能同时攻击几个方向的，其中必然只有一个是主攻方向，其他则是牵制性的佯攻，但要立即判断出哪个是主攻，现在根本无法做到，只有走一步看一步了，也不知道战士们能不能经受的住这次挑战，成则北满根据地彻底稳固，败则抗联只好退回山区和日军打游击，或许被消灭于此。
就在各级指挥员心急如焚的时候，卧牛河的战斗全面展开了！五时，日军经过一小时炮火准备后，开始火力延伸以压制纵深目标。同时，日军步兵开始冲锋，最先与日军接火的是三师二十四团九连前哨阵地上的一个班，但班长使用兵力不当，一下就把全班投入了战斗，在日军猛烈炮火下，很快蒙受了巨大伤亡，等打退日军四次冲锋后，就只剩下一个战士了，他只好退入坑道坚持战斗。防守3号阵地的九连一排见2号阵地失守，排长立即组织两个班前去反击，力求乘敌立足未稳夺回阵地，但这两个班在半路上就遭到了日军炮火覆盖射击，只剩五个伤员被迫退回3号阵地，这样一来，一排反击未成，反而损失兵力大半，连防守2号阵地都很困难了，十一时许，2号阵地就因守备兵力伤亡殆尽而告失守。东南的4号阵地因此陷入孤立，随即也被日军占领。只有最关键的9号阵地，由九连连长吴白龙指挥九连防守，吴白龙见日军炮火异常猛烈，如果在阵地上一下投入兵力越多，那么伤亡也就越多越大，所以他只在表面阵地上同时投入三个人，伤亡一个就从坑道里补充一个，打得从容不迫，9号阵地因此成为整个前沿阵地的中流砥柱，始终顶住了日军的进攻。9号阵地是卧牛河的门户，位置极其重要，只要9号阵地不失，那么日军休想度过卧牛河。经一上午的激战，日军攻击部队第十二旅团41联队一个中队损失均超过了70%，日军比较忌讳部队成建制消耗，就未敢再使用那个中队，将进攻的那个中队撤下去休整，换上另外一个步兵中队接着再战，一直打到黄昏，也未能攻下。
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腰屯道班也同时遭到了攻击，日军以满洲军第二师三十二团三路发动猛攻，守备部队四师二十八团一连依托被炮火严重摧毁的阵地英勇坚守，战斗之顽强被日军战史称为史无前例，在以往的战场上一直以来都是百战百胜，即使是支那人的正规部队在被帝国一阵炮击后，部队就散了，而眼前的支那人居然还在英勇的反击，把伪军部队攻击连连被击退，日军最后只得动用炮兵，日军重炮部队向抗联阵地发射近一百枚炮弹，整个阵地成为一片火海，满洲军乘势猛攻，最前沿的阵地只剩下三个伤员，无力再战，正准备退入坑道，却被已经冲上阵地的伪军的一挺机枪压制在离坑道口十余米处，这挺机枪附近正巧是因多处负伤而昏迷的一连三班班长孙明，他被枪声惊醒，看到这情景，大吼一声扑了过去，伪军的机枪手猝不及防被吓得魂飞天外，掉头就逃，孙明刚想把机枪掉过头去射击，伪军身后的日军中队已经涌了上来，他见来不及开火，一把抓起身边的三颗手榴弹，朝着这股日军扑去，与敌同归于尽，他也就成为在卧牛河战斗中与敌人同归于尽的二十八个勇士中的第一人！直到十二时许，经过了七个多小时的激战，日伪军攻上了主阵地，再经过二十多分钟惨烈无比的白刃肉搏，才占领了阵地。至下午二时，一连仅存二十余人，退守坑道，整个东兴屯除了9号阵地外的其余表面阵地都告失守。
九连和一连在激烈的战斗中，将战前储备的弹药消耗殆尽，共发射了近十万发子弹，投掷手榴弹、手雷数千枚，由于长时间高强度持续射击，武器损耗也非常惊人，总共打坏10挺96式轻机枪、四挺重机枪、32支冲锋枪、130支步枪，占全部武器的80%以上！