虎头要塞是日本关东军在中国东北东部原中苏边境上的一个军事基地，位于黑龙江省虎林市虎头镇周边完达山余脉丘陵中。
其中心区域正面宽12公里，纵深6公里，共有大小十余处要塞，由猛虎山、虎北山、虎东山、虎西山、虎啸山五个阵地组成。
阵地前，布置了大片雷区，地下囤积了大量的物资，日本关东军自诩其为“北满永久要塞”，即使陷入包围，虎头也可以坚守半年。
驻扎在此的是关东军第四国境守备队，大约为8ooo人左右，装备了此时亚洲最大口径的榴弹炮，口径达3oo毫米的高炮防御整个要塞。
之后再次装备了4oo毫米口径的榴弹炮，在辅以大量15o毫米的加农炮和小口径榴弹炮。
1944年，战争形势生巨大变化，虎头要塞的第四国境守备队人员和部分装备，被送往太平洋战场，只留了部分人员驻守虎头要塞，虎头要塞的战斗力大大降低。
5月23日18时，李云龙率领第一兵团到达虎头要塞。
5月24日凌晨，李云龙集结第一兵团四个步兵纵队，4个炮兵旅、2个坦克旅以及1个高炮团、1个火箭炮团，突然对虎头阵地进行猛烈炮击。
这次炮击，由于事先做了精确标定，使得虎头要塞的道路、地面工事、通讯设施、铁路和车站都遭到严重的破坏，并给日军以极大的杀伤。
独立炮兵第95营营长为宋金虎上尉，大威力榴弹炮兵第4旅旅长是赵有志。
抗日先遣军统计射了2353o5毫米和12oo2o3毫米榴弹炮炮弹。
炮击之后，抗日先遣军第一兵团突击部队兵分两路对虎头要塞起进攻。
这时，未遭到炮火杀伤的日军从睡梦中惊醒，匆忙进入预定阵地和地下工事。由于守备队长西胁武大佐去掖河（今宁安）开会未归，守备队由炮兵队队长大木正上尉代为指挥。
日军现后，立刻以各种火力进行密集拦阻射击，企图阻止抗日先遣军的进攻。
不过抗日先遣军的掩护火力更强，对日军阵地的前沿、通道、火力射点和制高点进行了有效的火力封锁，打的日军炮火被压制。
当天下午13时，日军41o毫米榴弹炮开始了回击，按照日军数据，在1小时内射了11炮弹，主要集中抗日先遣军进攻的路上附近。
虎头要塞日军在战役一开始就陷入孤立无援状态，与后方完全中断了联系。
日军利用坑道、各支撑点的坚固工事顽抗，战况十分激烈。
抗日先遣军的炮兵侦察需要时间来确定日军炮弹的射击位置。
此后，抗日先遣军炮兵尽可能多地参与反炮战，对日本炮弹的每炮弹都会立即做出反应。
随后抗日先遣军于一天内完成了占领该城的任务。
这天第一兵团击退日军4次反冲击，占领江边码头和虎头镇。虎北山阵地争夺尤为激烈，阵地9次易手。
5月25日，第一兵团射了2333o5毫米和17o82o3毫米榴弹炮炮弹。
第一兵团炮兵部队共对虎头要塞进行了3次不间断的炮击，直接摧毁了日军1门3o5毫米和1门24o毫米榴弹炮。
当天，日军共对第一兵团阵地7射了1o9炮弹，其中441o毫米榴弹炮炮弹落在距离炮兵阵地5oo米的地方。
5月25日早6时，抗日先遣军第一兵团起第二次总攻，以优势兵力和火力对日军火炮阵地和要塞设施进行毁灭性打击。
步兵则在坦克掩护下，与日军在各阵地展开白刃战。
另一路抗日先遣军占领虎林和密山。这天日军依然对第一兵团阵地射了65炮弹，其中31是24o毫米及以上口径。
5月25日中午11时，占领猛虎山的第一兵团从地下要塞的通气口、烟囱等投掷手榴弹和浇灌汽油，使得地下要塞内浓烟密布，不少日军窒息死亡。
5月25日晚8时，第一兵团攻占虎东山，该处的日军步兵1中队向东猛虎山靠拢，日军巨炮阵地被抗日先遣军攻占。
5月26日上午1o时，日军24o毫米和3o5毫米榴弹炮阵地被抗日先遣军占领。