遠(yuǎn)東蘇軍兵力從3個步兵師增加為5個，總兵力約4萬人（用于戰(zhàn)斗的為18521人），并得到外蒙軍支持8。就在《蘇俄有不能戰(zhàn)者四》發(fā)表第二天的8月16日，蘇方發(fā)動大規(guī)模進攻。

蘇軍先后攻擊了滿洲里、綏芬河、同江三個方向。奉軍連遭打擊，但張學(xué)良不肯屈服。蘇軍在調(diào)整部署后，在滿洲里—扎賚諾爾方向集結(jié)了8000余步騎兵，88門火炮，9輛坦克和32架飛機，并由外蒙騎兵萬余人配合。

張學(xué)良的FT-17和蘇聯(lián)的MC-1都有部署在中東路前線，并不斷得到支援，至少增加第21和第35師和若干內(nèi)務(wù)部部隊。可以肯定的是特別遠(yuǎn)東軍兵力最高峰不少于8萬人。當(dāng)面奉軍主要為第15、17旅，據(jù)俄方資料共有15000人。日方判斷則為12600人。

中國地方文史資料記載，僅梁忠甲的第15旅就有萬人（日方記錄為6300人）。但中國軍隊僅有25門火炮和34個擲彈筒。

11月17日，蘇軍以騎兵迂回滿洲里后方交通線上的扎賚諾爾。奉軍第17旅全軍覆沒，旅長韓光第中將戰(zhàn)死。蘇聯(lián)人隨后又占領(lǐng)了滿洲里和海拉爾。奉軍第15旅全軍覆沒，旅長梁忠甲中將以及大量士兵被俘。

經(jīng)此一敗，奉軍遭受重大損失。僅在滿洲里—扎賚諾爾方向，就有8000人被俘，戰(zhàn)死并被蘇方收埋的奉軍尸體多達1035具（一說1500），重傷1000人。另據(jù)日方觀察，有1800名奉軍擅自逃離戰(zhàn)場。蘇軍損失較小，傷亡812人（死亡143人，失蹤4人，受傷665人）。

三、中東路事件結(jié)果及影響

作為戰(zhàn)敗的結(jié)果，張學(xué)良被迫在12月22日與蘇聯(lián)簽訂了《伯力會議議定書》，中東路因此恢復(fù)到?jīng)_突前狀態(tài)。蘇軍則撤離占領(lǐng)地區(qū)。用顧惟鈞的話說：少帥過于自信的對俄政策，導(dǎo)致了在伯力城接受哀的美敦書。