没有了外部的压力，张学良立刻抽调了热河、察哈尔、绥远、黑龙江四省精锐部队开拔至辽宁参加对败退日军的追击行为，同时调遣民兵部队填补以上戍边部队的空缺。眼见日军败局已定，多日来一直生活在紧张中的张学良竟然在布置完各部队追击任务的会议上陷入沉睡中。
损兵折将丢盔弃甲的日军此时还有4个残破不全的师团和1个独立混成旅团，虽然仍可以与东北军一拼，但是已经兵败如山倒，最高统帅的猝死和两名中将的阵亡更加让日军士气衰竭。毫无斗志的日军部队在东北军空军部队的轮番轰炸和东北军数个骑兵旅的追击下拼命向尚处在关东军控制下的旅顺港口逃窜。武藤信义暴死后，东北战事一直被压制的不利消息纷纷被传送到东京，日本内阁和军部大吃一惊。此时被东北军围死在鞍山的第8第9两个师团被全歼的结局已经注定，日本政府不能再忍受剩下的4个常设师团也尽葬东北的命运。11月28日，日本海军主力在山本五十六中将的指挥下尽数出动，再次以“赤诚”、“加贺”两艘重型航空母舰以及四艘“金刚”级重型战列舰为主的包括近百艘驱逐舰和运输舰的庞大舰队奔赴旅顺口救援日军残部撤离东北。
至30日，侵奉日军已经全部被挤压在了旅顺靠近海口一带，东北军后续部队源源不断涌入旅顺与日军争夺旅顺口。为了给困在海边的部队争取更多的撤离时间，二宫治重中将抽调主力部队全力守城抵挡东北军的攻势，东北军与日军在旅顺口展开猛烈的巷战。甲午战争中被清军不战而弃后遭日军屠城死难两万民众的“东亚第一要塞”旅顺再次迎来了血火浴城。此时当初从旅顺奔赴辽阳“皇威赫赫”的日军已经处于垂死挣扎状态，大批日军丢弃武器钢盔不等登船命令就跳入海中游向军舰。海滩上毫无秩序拼命向军舰上拥挤的日军密集度惊人之高，在东北军重炮团猛烈轰击下死伤惨重。随着前线部队的步步推进，也越来越接近港口的东北军炮兵部队越发猛烈地向拥挤在海滩上的日军射出复仇的炮火，数千发的榴弹炮弹在大炮的怒吼中从天而降在日军头上，直炸的日军血肉横飞鬼哭狼嚎，整个海滩也被炸得坑坑洼洼沙土飞扬，被炮弹弹片撕碎的日军肢体残骸四面八方飞溅，迸溅出来的汩汩腥血和脑浆内脏甚至将沙滩染成了大片大片的暗红色。为了加快撤离速度，二宫治重中将下令丢弃所有的伤兵和残疾士兵优先让完整无缺的士兵和少佐以上军官登船。一圈圈被抛弃的日军官兵围聚作一团在绝望的哭号声中拉响发给他们用以“玉碎”的手榴弹。在炮兵部队猛烈轰击日军同时，东北军空军部队主力也倾巢而出呼啸在旅顺港口上空将一批批炸弹毫不留情地丢在日军头上，同时猛烈轰炸扫射在海面上挣扎的日军和日军运输舰艇。由于日军密集度奇高，战机投下去的炸弹基本每发必中，在航空炸弹爆炸掀起的滔天海浪中，满载日军逃命官兵的日本海军小中型舰艇一个个连续不断被炸伤炸沉，连同上面的日军一起在哀嚎中挣扎着沉没在渤海湾的滚滚浊流中。有的小型运输舰艇直接被炸弹命中四分五裂，乘坐在上面的日军官兵统统被炸成肉块，鲜血迸溅染红大片大片海域。整个旅顺港口和海面犹如修罗屠宰场般血腥残酷，被炸死的日军官兵尸体残缺不全到处铺满滩头飘满海面，内脏脑浆断手断脚遍布地面,狼藉不堪。另外在12月1日夜间，日军第二师团师团长多门二郎中将的乘船鬼使神差般不偏不巧被一架被日军高射炮火击落的东北军战机撞上，右手受伤不便的中将在逃离过程中被大火严重烧伤，没有回到国内便不治而亡。
12月2日下午，东北军先遣部队第101师一部突破日军阻击杀上旅顺口，几十辆东北军T-28和雷诺-17坦克驶上滩头碾压扫射着来不及逃跑的日军官兵，直杀的日军尸横遍野,杀红眼的东北军官兵们为了给当初来不及撤到北岸而被日军残酷虐杀的那些南岸伤兵们报仇，也以牙还牙将港口上瘫痪倒地不能动的日军伤兵统统用刺刀虐杀捅死。此时已经处于东北军重炮射程内的日军舰队慌忙草草结束持续四天多的援救陆军行动便驶往朝鲜仁川，在东北军岸防炮和战机的炮弹炸弹欢送下仅仅撤走了四万余的陆军官兵。同时这一日被围困在鞍山的第八第九师团残部在多日断粮陷入饥饿中后被攻入城中的东北军110师111师官兵在随后数日的战斗中尽数全歼(两个师团的指挥官在下令焚烧掉师团军旗后俱剖腹自尽)。残存在辽东半岛和旅顺的日军阻击部队也都逐步被东北军一一剿杀。12月5日这一天，日俄战争后日本在中国东北根深蒂固盘踞的关东军势力终于在此时被彻底铲除。多日苦战换来的胜利带来的喜悦充斥着所有官兵的心里，遥望着海面远方狼狈逃去的日军舰队，港口的东北军官兵们疯狂地呼喊着口号将身上最后的子弹向空中海面尽情狂飙射击宣泄着心中的狂喜——胜利了！终于胜利了！
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