蘇軍經過兩個多月的時間，通過西伯利亞大鐵路集結了超過八萬人以上的強大兵力，後勤補給也沒有問題，而同時奉蘇談判完全破裂，9月18日蘇聯政府向各國大使宣布，關於中東鐵路問題，蘇方始終主張和平解決，而中國態度虛偽，毫無誠意。認為今後之交涉無望，以前經過德國調停壹切交涉斷然中止。此後對於中俄國境惹起壹切不祥事件之責任，蘇概不承擔，決定對東北軍發起致命性的攻擊，以促使東北當局回到談判桌前。
東北軍對此亦有了解，故10月4日，東北邊防軍司令長官公署擬定《國民義勇軍組織條例》。內稱，“赤羌寇邊，首在抗禦，凡屬國民或團體有為國犧牲效命疆場之誌願者，投為義勇兵、義勇軍”。條例規定，名義上屬個人者，定為國軍義勇兵，屬於團體者定名為國民義勇軍。
10月2日，蘇軍步兵千余人向滿洲裏三十八團三營陣地進攻，雙方戰鬥激烈。隨後又不斷以飛機大炮掩護向滿洲裏車站各陣地進攻，雙方戰鬥到3日晨。
10月10日，貝加爾方面蘇軍3萬人向中國東北邊界進發，而此時負責防守梁忠甲旅已與蘇軍對峙數十日之多，後援不繼，告急求援。
10月12日，爆發了著名的中蘇海軍三江口富錦之戰，亦稱同江之役。早5時，蘇軍出動飛機25架、軍艦10艘、機關炮車40余輛，後又增派騎兵約800余名、步兵3000余，向同江中國軍隊進攻。至午後3時，同江縣城失守。此戰役中國海軍江防軍全軍覆沒。
詳細經過是十二日晨在同江的蘇聯海軍阿穆爾河區艦隊（也有資料稱是蘇軍遠東艦隊，但從蘇方資料來看應為阿穆爾河區艦隊）由斯加斯克率領以旗艦雪爾諾夫號為首的艦艇***9艘（軍艦5艘，其中3艘噸位在950噸以上，另有4艘武裝輪船，計有152毫米大炮4門，120毫米大炮18門，並有飛機十余架支援），飛機25架；東北江防艦隊則由江亨艦長尹祚幹代理指揮利捷（旗艦），利綏，江平，江安，江泰等六艘淺水炮艦應戰，另有“東乙”號武裝駁船。（除“江亨”為550噸，“利濟”為360噸，其余均在200噸以下，全艦隊只有120毫米炮5門。）
東北海軍由於沈鴻烈的先見之明，事先藏了壹艘拖駁船東乙號在沼澤中，在船上放置兩尊120毫米大炮並先詳加測準距離。十月十二日清晨五點半戰事壹開啟東乙即發炮攻擊停泊不動的蘇軍旗艦，蘇軍未料到中方有此壹招，當即被擊中指揮艦橋，據中方稱在炮擊中蘇軍司令、參謀長、旗艦艦長等多人當場陣亡，但未得到蘇方資料證實，不久雪爾諾夫號即沈；蘇軍的另外三艘亦被東乙擊成重傷。
但到了九點蘇軍的飛機加入戰場，戰局馬上改觀，江平、江安、江太、利捷、東乙等5艦被擊沈，利綏艦受重傷逃回富錦。其後蘇軍飛機和艦艇集中火力掩護步兵400多人在三江口地區登陸，並對東北軍陣地發起沖擊，駐守此地的東北海軍陸戰隊第壹大隊和陸軍壹個營協同抵抗，擊退了蘇軍首次進攻。蘇軍調集援兵近3000人，迂回到下遊10余裏處，襲擊守軍側翼，經過白刃戰後，守軍大部戰死，陣地被蘇軍占領。是役東北江防艦隊傷亡300余人，艦艇幾乎全部損失，江泰艦長莫耀明亦陣亡。張××、路××兩團以下軍官17人被打死，士兵傷亡500多人（根據東北軍事後公布的數字，總傷亡人數為700余人）。而根據中方公布的數字蘇方飛機被擊落2架（也有資料稱是1架），軍艦被擊沈3艘，傷數艘，人員傷亡700余名（這是最感到懷疑的數字，因為在全面主動的情況傷亡居然同中方相當，但由於沒有蘇軍公布的資料，暫時以此為準，另有中方資料稱蘇聯海軍傷亡70余人，較為可信）。下午2時，蘇軍進占同江城，次日退出。19日蘇軍撤走。三江口之戰規模不大，但是中蘇之間唯壹壹次海軍交戰，兵種齊全，有艦艇、飛機、陸戰隊，形成陸戰空立體作戰。
13日下午3時，蘇聯騎兵200余，攜炮6尊，乘船越境，向臚臏縣庫克多博卡倫進攻。卡官因兵力單薄不戰而退。
10月15日，蘇駐哈爾濱領事館被捕之蘇聯人員被東省特別區法院判刑，19日東省特區當局以“有接濟***黨嫌疑”，對蘇聯遠東銀行實行監管，由市政局，總商會和銀行公會組成保管遠東銀行財產委員會，21日南京外交部電令駐德國公使蔣作賓中止與蘇聯談判，這壹系列事件對於蘇軍的全面進攻起了火上燒油的作用。
10月26日，蘇軍百余名攻占奇乾縣，同日黑河電燈公司被炸毀。
10月30日，蘇軍再占同江。31日早9時，蘇艦7艘突然破壞攔江索，進入富錦江岸，與中國軍隊激戰，有少數騎兵登岸。中方的利綏，利川艦先後自沈只有江亨艦參戰，但僅發炮三發便自沈（有其與蘇軍激戰壹小時，不實），艦員爭相逃命，此即富錦之役。午後7時，蘇船21艘由松花江上駛，騎兵壹部由吐子元上陸，節節進逼富錦。9時，蘇艦7艘靠近富錦江岸，步騎炮兵約六七百名登陸。東北軍不戰自潰，11時富錦縣城被占。中國軍隊退向樺川。蘇軍將“文武機關分別焚燒”，通訊機關盡數破壞。將錦昌火磨等“所有面粉”“分給貧民”，並將“械彈及軍需品盡數掠去”。11月1日晚，蘇軍步騎炮兵由東門撤走。2日晨蘇艦陸續撤走。
以後蘇軍連續起動進攻，至11月11日成立了哈爾濱戒嚴司令部，15日宣布戒嚴。 十壹月十七日早七時，蘇軍以四萬余人兵力（蘇方資料都稱蘇軍當面只有7632人，但在技術兵器上占有優勢），大炮三、四百門，坦克車四十余輛，飛機三十眾架開始了大規模地進攻滿洲裏和紮賁諾爾。首先在滿洲裏投擲炸彈，國民黨駐軍司令部、電車房、三十八團樓房、憲兵所均被炸毀。無線電臺也被震壞，當時滿洲裏防疫醫院院長被炸身亡。據國民黨軍隊稱當時是”敵眾勢猛，彈如雨註”。同日在紮賁諾爾車站方面已於10時被蘇軍占領，淩晨四點查罕敖拉廣信公司煤礦也被蘇軍占領，礦區被炸為焦土，所存煤炭付之壹炬，煤礦經理孫鶴雲被捕，不久又被釋放。
十八日下午壹時，紮賁諾爾煤礦也被蘇軍占領，國民黨受軍韓光第旅長、張林雨團長陣亡，全旅官兵傷亡過半，千余被俘，呼倫貝爾盟漁稅局李局長正值在紮賁諾爾礦也中彈身亡。與此同時，滿洲裏車站戰況越來越激烈，進攻紮賁諾爾的蘇軍也調到滿洲裏方向，蘇軍發起的進攻非常兇猛，壹時間硝煙彌漫、炮彈橫飛，當時炸毀民宅多處，日本領事館隔壁的日本旅館也被炸毀。雙方激戰兩晝夜，國民黨軍隊飲食困難，加上疲勞過度，蘇軍以戰勝之師，猛烈攻擊到滿洲裏車站南山頭，國民黨軍隊瀕於危急關頭，梁忠甲旅長親自率領全旅官兵全力抵抗，蘇軍進展緩慢。此時紮賁諾爾方面已經完全失守，國民黨軍失去外援，戰事不利於國民黨軍隊。十九日，國民黨軍隊司令部所在地南山頭已經幾乎無兵，蘇軍飛機投彈甚密，雙方越戰越近，最後達到了白刃戰。
在國民黨軍隊司令部門前的戰鬥最為激烈，但由於寡不敵眾，國民黨軍隊傷亡甚眾，加之外無援軍漸漸不支。雙方壹直對峙到二十四日晨三時，國民黨軍隊彈盡糧絕，無力持久。不得已而向紮賁諾爾方向猛烈進攻，試問突破蘇軍包圍。繞道達賁湖退守，以待援軍。但最終不得突圍，被蘇軍迎頭堵擊，將國民黨軍隊中央突破而左右均遭蘇軍攻擊，無可奈何只得退回滿站，隨後蘇軍炮火猛烈轟擊市區。當時．市區秩序大亂，壹些無業流氓乘機槍掠民財、—些商店、房屋均被炸毀、焚燒。此時，國民黨軍隊仍擬扼守四門，進行背城壹戰。後經當時滿站政、警、紳、商各界在壹起協商；認為情況十分危迫，國民黨軍隊已彈藥盡絕，而援軍又壹時不能開到。
蘇軍則越攻越猛，越逼越緊。如果再少許延長時間，勢將要犧牲眾多生命。另壹方面考慮當時僑居滿市的日本人比較多，其生命財產：又沒法保護。根據這種情況，於是便壹面請求國民黨駐軍梁忠甲族長考慮滿市人民的生命，財產：另壹方面又推舉臚臏縣長齊肇豫赴滿站東巴裏木地方，當時市政公所翻釋股長趙永祿赴八十六號小站．在蘇軍炮火猛攻之下，分別與蘇軍司令官交涉停戰。當時，蘇軍總指揮沃斯特洛索斯基要求解除國民黨軍隊全部武裝。同時，國民黨軍隊要求蘇軍進入市區要嚴守紀律，並對解除武裝的官兵保全生命，並要求優待。蘇軍全部答應了條件。不久即停戰，這樣國民黨軍隊戰鬥三天無效，蘇軍進入市區。國民黨軍隊被解除武漿，全旅被俘官兵約七千余人，輕傷六百余人。梁忠甲旅長，李、張兩參謀長及各團長均於二十四日送往蘇聯境內：魏副旅長陣亡，其余官兵傷亡兩千余人。
蘇軍進入滿洲裏是十壹月二十日早晨十點，隨即設立了總司令部和衛戍司令部，在滿洲裏車站設立了政治探訪局，局長為戈彼烏成員。蘇軍首先給予工人、農民面粉和錢幣以便生活。然後將戰時民間被搶物資收集到壹起，張貼布告，讓失主前來認領，並在發放物品時拍攝了照片作為宣傳材料。蘇軍設立的政治探訪局專門搜查流竄到滿洲裏的白黨和反對蘇聯政府的人。當時滿洲裏俄僑尼基金中學校長戈拉肖夫，房產業主會長果洛闊夫、教堂神甫伊茲沃裏斯等二百五十多人以及紮賁諾爾礦華俄職工約二百人均被逮捕，先後押解蘇境。同時在各機關職員中進行搜查，逮捕了警察署長和官兵九十多人，以及路警、巡警等五十多人也被逮捕押解蘇聯。市區實行了非常嚴格的秩序管理，頒布了軍事管制條例，街上行人只能通行到夜晚十點。蘇軍占領後幾天，壹些商店開始營業，蘇聯的盧布和中國的銀圓同時使用。教堂也開始禮拜，個別學校復課，還開放了幾個電影院，專門放映壹些宣傳蘇聯社會制度的電影。至此，東北軍壹線全面崩潰。11月23日蘇機12架轟炸海拉爾。呼倫公安局等自海拉爾向博克圖站撤退。24日蘇軍攻占海拉爾。 “11月17日清晨蘇聯太平洋第1師和騎兵獨立第9旅的部隊向離邊境40公裏遠的密山開進。騎兵旅在航空兵支援下消滅了不少中國部隊，於傍晚時分抵達了密山敵軍的後方。及時趕到的步兵擊潰了奉天騎兵第壹師和白衛軍的幾個團。敵人的損失光被擊斃的就近1500人。蘇軍占領了敵人的司令部，繳獲了7面團旗和大量的武器。
在後貝加爾地區，中國部隊的兵力將近16000人。可我軍只有7632名戰士。布柳赫爾決定對敵人采取各個擊破的方針。11月17日淩晨3時庫班騎兵第5旅從阿巴蓋圖伊鎮出發，步兵35師尾隨其後，越過河的冰面，沿額爾古納河東岸向紮賁諾爾集群後方挺進。中午在該城以東10-12公裏處切斷鐵路，從後方進攻紮賁諾爾。切斷敵人從滿洲裏的退路。中國部隊的壹個營為了避免被包圍，向騎兵旅側翼發起突擊。紅色騎兵以勇猛的沖鋒把敵人打的潰不成軍。第二天騎兵在步兵第8團的支援下再次進攻紮賁諾爾。爭奪紮賁諾爾的戰鬥持續了兩晝夜。敵人雖然完全被包圍，而且他們的技術又不如我們，但是還是進行了前所未見的抵抗。他們把工事修的非常堅固，以至野戰炮兵和榴彈炮兵都未能炸毀戰壕和掩蔽部的蓋板。經過兩晝夜戰鬥18日蘇聯軍隊終於打跨了敵人的頑抗，沖進占領了該市。
與此同時我軍其他部隊包圍了滿洲裏的中國部隊。向他們提出無條件投降的最後通牒。敵人決心防守，步兵第1旅、騎兵第3旅和壹個炮兵營從嵯崗至紮賁諾爾方向增援。布柳赫爾命令立即發起總攻。11月20日清晨起戰鬥越來越激烈。敵人拼命企圖突圍。他們企圖在布裏亞特蒙古族騎兵營的陣地上突破。汗講諾夫從塔昌卡（壹種蘇式馬車，蘇軍常常在上面架設重機槍做為機動火力）上向進攻的中國士兵散兵線掃射。這只是敵人的誘惑性突擊，敵人的主力企圖向南突圍。後貝加爾集群的所有炮兵和裝甲列車都參加了作戰，航空兵不斷從空中不斷從空中進行轟炸。由於傷亡慘重，中國部隊只好縮回城裏，接著也就投降了。只有少數殘敵逃進小山深處。
敵人第15、17旅被徹底擊敗。戰鬥結果：俘虜8000多人，打傷近1000人。俘虜中包括西北戰線長官（西路護路軍司令）梁忠甲將軍和他的司令部人員以及近250名軍官。敵人被擊斃1500人。我們繳獲了敵人所有的火炮、兩列裝甲列車和大批物資、武器和裝備。
我軍希望不再繼續流血戰鬥，號召敵軍步兵第1旅和騎兵第3旅的官兵放下武器投降。然而這項和平建議再次遭到了拒絕。蘇聯軍隊被迫繼續進攻。於11月23日占領嵯崗車站。四天以後占領了海拉爾城。”
根據蘇方資料，在這次戰鬥，蘇軍死亡143人，失蹤4人，受傷665人。而崔可夫在回憶錄認為蘇軍俘虜了張學良，實際張學良在中東路之役中壹直呆在沈陽，崔可夫將梁忠甲當作張學良。