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山海关的日军守备部队，并不知落合负有特殊任务，他们对落合调解中、日两军冲突，因而使第8师团未能攻占山海关一事已有不满情绪，加之山海关市民，为感谢落合的调解，使城市免遭战火而进行了一些酬谢活动，这使得落合的部下更为不满。经过一段酝酿，在1933年1月1日上午9时，日军守备队中的儿玉中尉等，藉口在其营门附近发现了中国军队的手榴弹，面自动率其部队首先破坏市内通信，切断了电话线，接着向南关和山海关车站进行攻击。在此时刻，伪军的便衣队乘机进入市内，到处鸣枪造成市内的更大混乱，企图一举占领山海关。驻于市内的第626团团长石世安当即命令部队进行抵抗，致使日军的阴谋未能得逞。
被击退之敌，于1日分别向天津驻屯军、锦州第8师团去电，请求支援，并于1日中午向我国驻山海关的步兵第9旅提出以下4条无理要求，限50分钟内答复，即：(一)南关归日军警戒;(二)撤退南关之驻军;(三)撤退南关之警察及保安队;(四)撤退城上守军。 以上这些无理要求，当即被驻军拒绝。1月2日我国驻南关之警察被敌缴械。上午9时敌开始攻城，随之敌第8师团向步兵第9旅送来最后通牒，要求守军撤出山海关。上午10时敌4辆兵车及3辆铁甲车从锦州到达山海关，10分钟后开始攻击;驻锦州机场的关东军飞行队第10大队第1中队藤田雄藏的侦察机共5架亦飞抵山海关上空配合作战。
1月3日，敌第8师团继续进攻，驻锦州的敌空军15架飞机，轮番参加攻击轰炸;敌津田静枝的第2遣华舰队，依据其协同计划，在山海关以东之海面，对陆上进行炮击。根据1902年辛丑不平等条约，我国军队在山海关不能构筑工事。在这次作战中，步兵第9旅石世安的626团总数约为2000人，战斗中士兵们的士气虽然很高，但伤亡较大，达半数以上。该团的营长安德馨、连长刘虞宸、关景泉、王宏元、谢镇藩等均在作战中牺牲。根据以上情况，石团长依照命令于1月3日下午率部队从北水门撤出，山海关在当天被西义一的第8师团占领。
