作為九一八之夜日軍進攻瀋陽北大營的最高指揮官獨立守備步兵第2大隊大隊長島本正一中佐，最先接到的是第3中隊的電話報告。當時日本守備隊士兵行動時必須攜帶電話，將這種電話與安裝在鐵道線電線杆上的“插孔箱”連線起來，在鐵路沿線任何一個地方就都可以進行通話了。幾乎同時島本正一也接到了板垣徵四郎攻擊北大營命令。他接到命令後，島本正一立即命令第3中隊仍舊發起進攻，第2 中隊（撫順）迅速向柳條湖進發，第1中隊、第4中隊儘快奔襲北大營。
獨立守備步兵第2大隊住在距離奉天驛（今瀋陽站）附近的日軍兵營。獨立守備步兵第2大隊大隊部和第1中隊、第4中隊駐紮於此。第2大隊大隊部裡，大隊長島本正一、大隊副兒島少佐、副官田內上尉、通訊員永嶺中尉、板倉上尉、軍醫田村、會計筒井、獸醫佐山等擺開地圖，研究進攻方案。第2大隊部向第1中隊和第4中隊發出了緊急召集令。與此同時，要求奉天火車站準備一列火車，什麼樣的火車都可以，只要能開往北方的即可。第1中隊、第4中隊接到緊急召集令後，急三火四地進行出發的準備。將放在相鄰駐紮聯隊步兵第二十九聯隊彈藥庫的彈藥取出，在兵營廣場進行分發，分發鋼盔和簡單食品。
第4中隊先到達火車站，但由於火車專列沒準備好，在等待中，第1中隊和大隊部也到達了火車站。第2大隊大隊部和第1中隊、第4中隊統一乘坐一列火車，於11點50分到達距離柳條湖爆炸地點以南1440米處的柳條湖分遣隊處。在此下火車後，向北大營方向急行軍。前往 北大營途中，北大營方向槍聲時而激烈，槍聲時而沉寂。獨立守備步兵第2大隊大隊長和第1中隊、第4中隊都擔心第3中隊是否全軍覆沒了。實際上由於東北軍的不抵抗，第3中隊不但沒有覆沒，而且幾乎無一人死傷。
獨立守備步兵第2大隊大隊部在北大營堤防旁邊的柳蔭道上安營紮寨。與激戰中的第三中隊取得了聯絡後，島本正一大隊長命令第4 中隊在第3中隊的右翼展開，又讓第1中隊在第4中隊的右翼展開，並直接向東發起攻擊。第1、第4兩個中隊也與此前的第3中隊一樣，越過壕溝，翻過堤防，向中國東北軍北大營營房發起突擊。塹壕很深，水漫到肚臍邊上，士兵們隨身攜帶的繃帶包和彈藥等一下都浸溼了。在向營房突進的過程中，日軍跳進爬出了排放汙物的幾個壕溝。北大營東北軍第7旅的營房點著許多盞電燈，因此，日本軍隊可以輕易地向東北軍士兵開槍射擊。日本軍隊邊射擊邊投彈，衝進東北軍第7旅第621團營房內，與中國兵進行格鬥，很多中國軍人一個接一個地被日本兵刺透，倒下死去。
第4中隊從零時三十分開始直至凌晨一點左右，佔領了地圖上標示的第621團第1營和第2營。與第4中隊同期抵達柳條湖分遣隊附近的第1中隊於12時20分到達北大營西南側，向北大營西部南端的第7旅機關槍連發起攻擊。19日凌晨12時50分，第1中隊佔領西南角第七旅機關槍連後，又向北大營正門方向進展，於19日凌晨1時30分佔領了位於北大營正門處的第7旅衛兵所。
各中隊佔領了第621團營房之後，又進一步向前推進。第1中隊從西向東對東北軍發起進攻。第1中隊繼續向北大營東部營區最南端的東北軍第7旅軍官教育班、機關槍連及輜重隊營地攻擊，於凌晨2時30分左右先後佔領了上述營房。隨後，獨立守備步兵第2大隊第1中隊，攻擊位於北大營營區
外東南部約300米處的東北無線電總檯，於19日凌晨4時左右佔領了東北無線電總檯。獨立守備步兵第2大隊第3中隊繼續向位於第621團第3營北面的第619團第3營發起攻擊，佔領該營後從西向東陸續進攻位於北大營北部的東北軍第7旅汽車隊、騎兵隊、迫擊炮廠、彈藥庫等東北軍兵營。19日凌晨3時左右，日軍第3中隊向位於北大營營區內東北端的第620團第3營營房進攻，受到東北軍第620團第3營的頑強抵抗。
日軍第4中隊經練兵場由正面向其東側的第620團營房進攻。在練兵場正中受到來自各方面的射擊，北大營練兵場上槍聲忽然密集起來，爆炸的閃光，不時將營區照亮。因此，遲滯到凌晨1點40分左右。在此之前11點多鐘，東北軍第7旅第620團團長王鐵漢已騎馬從家緊急趕回了北大營。王鐵漢接到榮臻參謀長電話，嚴令“不準抵抗”。王鐵漢答稱：“敵人侵吾國土，攻吾兵營，斯可忍，則國格、人格全無法維持。而且現在官兵憤慨，都願與北大營共存亡。
敵人正在炮擊本團營房，本團官兵勢不能持槍待斃。”榮臻又指示：“那麼，你就撤出營房，否則，你要負一切責任。”眼看日軍越發兇猛，王鐵漢心中燃燒著反抗的怒火，大聲下令“打！”一時間，迫擊炮、平射炮齊發，所有的機關槍同時開火。620團用火力壓制敵人的進攻，日軍的火力弱下來。凌晨三點半左右，日軍第4中隊的正面與第620團第2營的戰鬥最為激烈，敵我雙方拼死交火。此時，日軍川上精一上尉率領第2中隊從撫順趕到，也就是說日軍獨立守備步兵第2大隊所屬四個中隊全部到達北大營，日軍獨立守備步兵第2大隊參加進攻北大營的有600多人。
據1973年室井兵衛編著的《滿洲獨立守備隊》介紹有名有姓的為626人（第2大隊當時有官兵828人）。第2中隊到達後，島本正一中佐命令第2中隊穿插到第4中隊和第1中隊之間進行增援。第4中隊攻擊王鐵漢為團長的第620團第2營。東北軍第7旅第620團第2營營門扇緊閉，營房圍牆上排列著步槍、機關槍，持續不斷地猛烈射擊。第4中隊不得已，命令部分士兵拿著輕機槍爬上屋頂，向東北軍620團第2營陣地投擲炸彈，可是炸彈中途全都掛到了道邊的柳樹上了，沒能投擲到東北軍的陣地。但第4中隊找來了東北軍遺棄的步兵炮一門並開炮，炸開了620團第2營營房大門，日軍乘機衝進兵營裡面。
據第七旅參謀長趙鎮藩回憶，當夜2時許，他鑑於情況非常危急，決定利用日軍遲滯進攻的間隙，從南北兩面出擊，以掩護非戰鬥部隊由東面向東山嘴子撤退。到下半夜三點多鐘，東北軍全旅傷亡慘重，所有的對外聯絡電話全部中斷，旅部前後都發現日軍，趙鎮藩下令開始突圍。620團是最後撤出的。王鐵漢命令第2營由東面撤走，第3營及團部由北圍牆突圍。
19日早4時40分，日軍駐鐵嶺的獨立守備步兵第五大隊已到達北大營附近，正向北大營北側進擊。擔任掩護任務的第620團第3營第九連官兵在連長姜明文率領下到達北圍牆，剛一上圍牆頂，就遭到了日軍猛烈的射擊。士兵們就地臥倒，給敵人以猛烈還擊，6門迫擊炮一齊向日軍轟擊，其他各連也相繼趕到，槍炮齊射向敵人，將日軍的火力壓制下去。趁此間隙，各連官兵相繼越壕而出。與此同時，第2營也從東面突圍而出。凌晨5點30分，北大營陷落。
