第五军参战后，辽东战场上的东北军实力雄厚，旋即对日军展开了排山倒海般的反击。以南线方面军总指挥部所在的瓦房店为核心，重新被组织起攻势的东北军兵分三路，第一军朝着辽东半岛末端西南部的复州湾镇凶猛进发，以遏制日军顺着辽东半岛西部海岸线北上的通道；第二军和第三军朝着辽东半岛末端东南部的皮口镇全面推进，以遏制日军顺着辽东半岛东部海岸线北上的通道；第五军作为主力，挥军直扑向被日军占领的普兰店，收复辽东半岛末端的中部地区；按照计划，三路大军在完成各自任务后会师于普兰店，最后再对旅大地区展开最终的反击，把日军统统赶下海。辽东前线通往东北后方的交通线被日军飞机炸得千疮百孔，东北军的工兵们和东北铁道部的工作人员们奋力抢修，以确保前线部队在物资军械上的充足补给。
11月17日凌晨时分，东方渐渐露出了鱼肚白，天色蒙蒙亮。横跨辽东半岛南部延绵了上百公里的东北军战线上，军官们的喝令声和铿锵有力的沉重脚步声此起彼伏响起。在冰冷战壕里休息一夜后的东北军士兵们开始装填子弹、检查武器，刺耳的“霍霍霍”磨石声在战壕里响成一片，富有经验的东北军老兵们轻车熟路地将配发的铁铲磨得锋利，因为在近身肉搏战中，铁铲同样也是有效而可靠的杀人武器，杀伤效果甚至比刺刀更好。在这同时，东北军集结起来的14个炮兵团（8个东北军炮兵团和6个刚刚增援而来的晋绥军炮兵团）已经用飓风般铺天盖地的咆哮声撕碎了战场上犹如坟墓般的死寂。在天亮之前开炮，是为了避开日军舰载机的攻击。14个炮兵团，总计2000多门大口径火炮，随着东北炮兵部队副司令吴克仁的命令，东北军的炮兵阵地上霎那间万炮齐鸣、天崩地裂，无数道急速光线划破黎明天空中的阴霾和夜色，气势恢宏地直刺天空苍穹，旋即犹如红色的流星暴雨般劈头盖脑地倾泻向各个东北军阵地对面的日军阵地。炮击力度之大，是东北军前所未有的，也是东方战场上史无前例的。隐蔽在战壕里等待着冲锋的东北军士兵们感到整个大地犹如火山爆发了般地动山摇，大块大块的泥土簌簌地被掀飞震落，头顶上热浪滚滚、浓烟弥漫。
“弟兄们！检查弹药！准备战斗！戴上防毒面具！”军官们佝偻着腰在战壕里厉声喊道。清脆的拉枪栓的声音中，士兵们一边子弹上膛一边戴上仿德式的圆筒防毒面具。东北军的炮群为了增加炮击对日军的杀伤，在发射出去的炮弹里加入了大量的德国毒气弹，因此遭到炮击的日军阵地上不但浓烟滚滚，还毒烟腾腾。而在东北军步兵阵地后方的掩体里，一辆辆坦克和装甲车也蓄势待发，尾部的排气管低吼着喷出一股股浓烟。
清晨六点整，位于巍霸山城里东北军南线方面军总指挥部内，方面军总指挥于学忠看了看手表，对待命的通讯参谋们点点头：“全面进攻！”
大田镇、老虎屯、莲山镇等最前线的战场上，齐齐响起了身先士卒的各个师长团长营长们的振臂大呼声：“弟兄们！杀敌立功的时候来了！冲啊！”
震天的杀声冲天而起，漫山遍野的东北军士兵争先恐后地跃出战壕，在坦克和步兵炮的掩护下朝着日军阵地发动了排山倒海般冲锋。几架日军的舰载侦察机掠过战场上空，飞行员无不大惊失色：到处都是泥石流般的东北军正在以雪崩之势呼啸向被东北军炮群轰得满目疮痍的日军阵地，数量之多，骇人听闻，气势之雄，惊天动地。别的不说，光是这长龙般的大军所掀起的灰尘就足以遮天蔽日了。日军飞行员顾不上投弹，拼命给己方的地面部队发去警告：“满洲军正在全面反击！铺天盖地的洪潮来了！”辽东战场的东北军第1、第2、第3、第5军等部队，共15个步兵师、6个骑兵旅、20万大军（不包括在沈阳的第1军第101师和在旅顺的第2军第102师），以主动寻求与日军决战之势，全面对日军展开反攻。被东北军洪潮淹没的日军阵地上霎那间尸骨横飞。
遭到东北军反击的日军各部尽皆陷入血战且死伤巨大。东北军的进攻部队非常没有人道主义精神且“赤裸裸地践踏《日内瓦公约》”地以坦克和毒气弹开路，滚滚的毒烟毒雾中，头戴防毒面具的东北军装甲兵们驾驶着一辆辆钢铁战车，势不可挡地冲上日军的防线，用凶猛的坦克炮把日军的一个个火力点都送上天，同时用坦克机枪毫不客气地把大批被毒气熏得半死不活的日军统统射杀进血泊里，而紧随着坦克，无数戴着防毒面具的东北军犹如决堤洪水般涌上日军残破不堪的阵地。血雨腥风间，东北军士兵们一边猛烈进攻，一边用刺刀把遍地口吐白沫打滚的日军给捅死。毒烟滚滚间，日军死者不计其数。
设立在瓦房店的满洲派遣军总司令部内，白川义则大将面前的电话不断响起，都是各个师团长打来，送来的无一例外都是坏消息。白川大将声色俱厉地在电话里呵斥道：“混账！大日本帝国军素来攻无不克，战无不胜！占领哪里就必须要死守那里！只需前进，不许后退！”
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日军舰载机群倾巢出动，猛烈轰炸反攻的东北军，东北空军旋即出击迎战，双方机群拼杀得赤空碧霄，日军各个军舰开赴沿海地区，用舰炮猛烈轰击岸上的东北军。电闪雷鸣间，攻击沿海日军据点的东北军成排成连地被炸死，但后续的东北军仍然奋战不休。也许是多个临阵脱逃的高级军官被就地枪决的反面教材极大地震慑了军心，也许是炮兵们的毒气弹和装甲兵们的坦克给予日军极大的杀伤而振奋了军心，也许是长官们以身作则和悬以重赏而激励了军心，也许是同样身为军人并且同样被这尸山血海的战场给刺激得爆发了不输给日军的决死战意，也许是保卫国家、捍卫故乡的热情促使了东北军官兵们浴血奋战...各种因素都使得东北军官兵们在这场反击战中前赴后继、视死如归，即便面对着日军的舰炮，遭到惨重杀伤的官兵们依旧毫无惧色地全力死战。东北军顽强的战斗精神连素来轻视中国军队的日方将领都不得不承认这一点。满洲派遣军第一军司令官武藤信义大将在私下嗟叹道：“我们确实低估了满洲军的战斗力和战斗精神，经过眼下的实战，不少人都认为，出兵满洲似乎是一个过于轻率的决定。而最令我们难以接受的是，满洲军在一些武器装备上甚至比帝国军还要先进，满洲军的弹药供应也比帝国军更加充足”。
尽管东北军在日军舰炮的轰击下伤亡巨大，但在日军舰炮射程之外的战场上，东北军已经占了很大的上风，日军的死伤更加惨重。守卫普兰店西北据点炮台镇的日军第8师团在东北军第一军的反复冲杀下，全师团拼得几乎油尽灯枯，一个旅团险些被全歼，师团长西义一中将的指挥部也被东北军飞机扔下的炸弹给炸塌了。被卫兵从泥土里挖出来的西义一中将在向白川大将汇报战况时，激动地道：“帝国海军的军舰无法支援我们，海军的舰载机反复轰炸进攻我们的满洲军，虽然炸毁了他们几十门大炮和炸死上千名满洲军士兵，但满洲军的进攻力度丝毫没有减少，天黑的时候就是我们的噩梦，他们那数量是我们好几倍的大炮对我们的阵地上轰击着彷佛无穷无尽的炮弹，满洲军潮水般的步兵跟在几十辆战车后一遍又一遍地冲杀我们，满洲军的士兵并不比帝国军逊色，我的师团里已经有超过八千名士兵为天皇和帝国而尽忠玉碎了，野战医院里更加是伤兵满营。最令人痛苦的是，满洲军还大量使用毒气炮弹，这给严重缺乏应付毒气的我军造成了极大的损失。”
11月20日，东北军第五军对普兰店展开全力反攻。在被双方炮兵和机群炸成残垣断壁的普兰店废墟里，东北军和日军殊死搏杀。东北军在日出之前的三个多小时内向普兰店发射了一万多发炮弹，包括两千多发毒气炮弹，将整个县城在毒烟黑云中炸成了寸草不生的焦土。天亮后，戴着防毒面具的东北军先头部队和上百辆坦克呼啸而起，不等毒气散尽就冲向日军阵地，与日军展开血战。军长高维岳把时间计算得很准确，等先头部队撕开日军防线的时候，毒气也已经散尽，由于防毒面具不够而没有配发到的后续主力部队正好展开全面进攻。瓦砾废墟间，杀声震天，双方士兵挥舞着枪械、刺刀、铁铲...甚至是石头砖块地以命相搏，配发冲锋枪且弹药比日军充足的东北军在这种近身战和巷战里也稳压日军一头。枪林弹雨和血雨腥风间，双方战死军人的尸体塞满了普兰店的大街小巷。
当天晚上，迫于东北军距离自己的指挥部已经不足一千米现状的白川大将不顾他对部下之前说的“大日本帝国军只需前进，不许后退”的豪言壮语，带着指挥部狼狈不堪地撤离了普兰店，转移到向南三十公里的向应镇。
从整体战局来看，东北军已经逐步地恢复了辽东战场主动权，尽管在进攻沿海地区时会暴露在日军舰炮射程内而损失巨大，但在内陆战场上，日军不得不全面收缩战线。急于早日成功的荣臻再次跟张学良索要部队，张学良对前线战事在十分满意的同时也同样有点迫不及待，因此命令从陕西开赴至辽中地区的第16军第124师（东北军）、第125师（东北军）、第33师（西北军）、第34师（西北军）也投入辽东半岛战场，以早日结束战事，取得胜利。