九月十八日深夜，日军对沈阳城的进攻也同步展开。
第29联队联队长平田幸弘大佐在奉天满铁附属地的临时指挥部里下达了三路进攻的命令，作战计划由板垣征四郎亲自审定，目标明确，在拿下北大营的同时，一举攻克沈阳老城，控制东北军政中枢。
第一路进攻南商埠地南市场，扫清城西南外围障碍；第二路进攻北商埠地北市场，控制城西北交通要道；第三路为总攻方向，集中约七百名主力在重机枪和掷弹筒火力掩护下沿大西路直扑沈阳老城大小西门，突破后直插城内的东北边防军司令长官公署、辽宁省政府和宪兵司令部。
此时沈阳城内的中方武装力量兵力薄弱且分散。正规军警系统包括东北宪兵司令部、帅府卫队、省防军留守部队和市政保安队，总共约四千人，装备以手枪和杂式步枪为主，缺乏重武器；警务系统由辽宁省警务处长兼沈阳市公安局长黄显声指挥的公安总队约两千人，大多配备老式步枪和手枪。
这六千人中真正有战斗经验的不足三分之一，面对的却是平田幸弘指挥的一千五百名训练有素的野战步兵，加上武装起来的警察和在乡军人，日军在沈阳城方向的总兵力实际超过三千人。
战斗最先在南市场打响。日军第一路在山炮的掩护下迅速突破了南商埠地的外围防线，守在这里的市政保安队一个中队抵抗了不到半小时便伤亡过半，被迫向北收缩。北市场方向同样吃紧，日军第二路利用铁路附属地作为出发阵地，以装甲巡逻车为先导冲过铁道线，将守军压缩在北市场东侧几栋砖木结构的商铺内，黄显声亲自赶到北市场指挥公安总队组织逐屋防御，用手榴弹炸毁了两辆日军装甲车，暂时迟滞了日军的推进速度。
但最危急的是老城方向。大小西门是沈阳老城的主要城门，城墙虽有数米高但年久失修，城门洞的包铁木门根本挡不住现代火器的轰击。
日军第三路集中了两挺重机枪和数门掷弹筒，对准西门城楼猛烈射击，城楼上的守军被压得抬不起头。
平田幸弘见火力压制奏效，命令突击队携带炸药冲向城门，企图炸开城门一举突入城内。就在爆破手冲到离城门不到三十米时，一阵密集的轻机枪火力突然从城墙垛口倾
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