总指挥来到前线，全军士气大振，一万多名将士与日军和叛军血战到天黑，付出伤亡近千人的代价，打伤打死日军五百人和叛军七百人，夺回了所有失去的阵地。
又过了五天，经过补充和休整的日军，派出七千多人的兵力，在飞机和火炮掩护下，向三间房阵地发起猛攻。守军各部官兵奋起还击，敌我双方伤亡惨重。日本政府急忙下令增派援军。由于马占山的部队杀敌勇猛，日军已经是第二次增派援军了。
三天后，日军派出步兵、骑兵和炮兵四千多人，在飞机和坦克掩护下，发起全线进攻。守军勇猛抵抗，两军进入争夺阵地的混战状态。
隔一天，日军得到陆续到达的增援后，又出动大约三个联队约一万一千人的兵力，骑兵和步兵分为两路，向三间房主阵地实施猛攻，还有飞机、坦克和重炮配合作战。从拂晓到午夜，日军连续发动十多次进攻，对三间房一线形成了包围态势。凌晨2点，日军坦克突入守军阵地，将守军分割，守军各部自行作战，与日军肉搏，直到拂晓。
守军且战且退，向后备阵地转移。马占山闻讯，再次赶到前线，命令部队回头反攻日军，将丢失的阵地夺回。这时，侦察兵发现了日军前沿指挥所的位置，马占山立即派骑兵从侧翼出击，突然将它包围，击毙二十多名日本军官，摧毁了日军指挥所，差一点抓住日军的多门二郎中将。日军后方受到威胁，自行撤退。马占山率领手枪队，将丢失的阵地全部夺回。
一次，日军飞机低空扫射，有恃无恐。中国官兵怒不可遏，持枪卧射，日机被击中，坠地毁亡。一名战士徒手冲过火线，连夺两挺机枪，人称“孤胆英雄”。
守军经过十多天血战，伤亡总数超过六千人，弹药快打完了，部队十分啤惫，已无力再战。为了保存实力，马占山决定放弃全线阵地，撤退到齐齐哈尔。第二天，为了避免日军炮轰齐齐哈尔市区，又率全军撤退到海伦。
马占山领导的江桥抗战，是“九一八”事变以来中国军队对日军的首次大规模的和最激烈的抵抗，使日军在入侵东北后第一次尝到了中国军队的铁拳。日军在“九一八”以来第一次受挫，害怕消息传开，动摇军心，便造谣说，是苏联向马占山提供了军火。
江桥战役在国内外引起强烈反响，社会各界通过各种方式慰问马占山的部队。马占山声名大起，在繁华的大上海，音乐家集会谱写了《马家军之歌》，市面上出现了一种“马占山牌香烟”，广告词说：“愿人人都学马将军。”