第二天凌晨，何柱国拒绝了日军提出的侵略要求。日军立即将南关外的中国警察缴械，并监视南关公安分局的局长。
上午，安德馨举着负伤的胳膊，声音嘶哑地高喊道：“弟兄们，日军不会甘心失败，他们必然要来报复。我们一定要坚守城门，决不让日军前进一步。现在是我们用生命捍卫祖国领土的时刻，我们一定要狠狠地打击小日本”官兵们群情激昂，齐声应道：“我们愿与长官生死与共，打退日军，保住城门”
不一会儿，日军攻击部队逼近城门，一个军官举起喇叭筒喊话：“何柱国和东北军官兵们，你们不是皇军的对手，抵抗只有死路一条。给你们三分钟时间，过时不回话，皇军就要开炮了”
安德馨接过士兵的步枪，对准日本军官射击，把他撂倒。日军被激怒了，开始炮击。步兵随后发起攻击，近百名日军用木梯攀登城墙，守军沉着还击，把日军压制下去。中午，日军第八师团第四旅团三千多人，由铃木少将指挥，继续攻城。五架日军飞机飞来助战，向城头和城内投下几十枚炸弹。顿时，山海关上空烟雾弥漫，火光冲天，枪炮声不绝。守军寸步不让，坚决还击。日军刚爬上城头，就被子弹击中，仰面摔下梯子。日军一波一波地向城头上涌，被守军用刺刀挑了下去。激战五十分钟，城墙边堆积着日军的尸体。
日军集中火力，重点进攻东南城角和南门。何柱国只有两个营的部队在城内，但抵抗得非常顽强，火力猛烈，爆炸不断。日军的炮火把南北城楼和商民住宅夷为平地，守军伤亡过半。守卫南门的部队全部战死，日军的坦克趁势冲进城内。安德馨率领两个班拼死堵击，砍死几十名日军，突然头部中弹，壮烈牺牲。日军占领了南门和东南城角。守军预备队从西门向南门反击，将日军击退。
下午两点钟，日军加大兵力，向东南城角猛攻，炮火炸出一个巨大的突破口，坦克和步兵随即冲锋，守军一批批冲上去堵杀，一批批倒下。从北门到东门，没有掩体可以凭守。石世安组织了多次反击，和日军坦克作殊死搏斗，还是没能挡住日军前进。第二连连长刘窦宸、第三连连长关景泉、第四连连长王宏元和第五连连长谢镇藩，全都战斗到死，第一连连长赵壁连身负重伤，排长以下官兵伤亡过半。
日军突破了四道城门，石世安带领剩下的十几个人从西水门撤退，山海关被日军占领。城内的几千老百姓纷纷逃亡，没能逃出的妇女和学生，几乎全被日军屠杀。守军一个营的官兵，和成百上千的百姓，倒在战场的血泊之中。堪慰英灵的是，在他们旁边，还有四百多具日军的尸首。国民党军队在华北地区第一次违背蒋介石的不抵抗命令，用武力打击了日军的侵略气焰。这支部队的顽强战斗，揭开了华北抗战的序幕。
日军三千多人在山海关遭到守军不足两千人的阻击，激战三天，付出了惨重的代价。他们在占领山海关以后，紧接着又攻占了五里台和九门口。广阔的华北平原，暴露在日军侵略的铁蹄之下。