將三個軍事重鎮分割開後，蘇軍將作戰的重點首先選定扎賚諾爾，集中優勢炮火對奉軍陣地開始猛烈轟擊，為步兵、騎兵衝鋒開闢了道路。下午5點鐘扎賚諾爾車站失守。蘇軍轉而從南面向扎賚諾爾防禦工事的後方展開攻擊。扎賚諾爾守軍感到被包圍的威脅，進行猛烈的反衝鋒。蘇軍炮兵用霰彈直射密集的人群，並集中大批騎兵從側翼襲擊，守軍在反衝鋒中傷亡約200名官兵，39人被俘。
入夜後，加倫將軍命令將攻城時間推遲到天亮。11月18日8時炮兵準備就緒。蘇聯空軍和炮兵對扎賚諾爾進行更加猛烈的轟炸。
蘇軍共出動飛機27 架，步騎炮兵3萬餘人，坦克車20餘輛，向滿洲里、扎賚諾爾同時進攻。西線東北防俄軍司令部投入大批預備隊，戰鬥進行得十分慘烈。在一整天的激戰中，東北軍旅長韓光第、團長林選青陣亡，團長張季英負傷自殺，全旅付出重大損失後，退往嵯岡車站，扎賚諾爾為蘇軍占領。
11月19日夜，蘇軍做短暫休整後回頭進攻滿洲里。第36、35步兵師向西北方向沿鐵路線推進。第5騎兵旅實行縱深迂迴，繞到滿洲里西南，從那裡向市區進攻。在扎賚諾爾東南方向留下斷後部隊，以備阻擊從嵯岡和海拉爾方向西上的奉軍。
完成對滿洲里的包圍後，蘇軍要求梁忠甲率部投降。梁忠甲拒絕回答，決定依靠構築的工事進行保衛戰。
為拯救陷入重圍的梁忠甲，西線東北防俄軍總指揮胡毓坤從海拉爾派出一個步兵旅和一個騎兵旅向滿洲里增援，並派飛機給梁忠甲報信。但飛行員誤將信號筒投在蘇軍前沿陣地。加倫得知這一情報，立即命令在最短的時間內消滅據守滿洲里的防俄軍。
梁忠甲不知援軍將至，決定突圍。
11月21日，他將軍隊分成兩個縱隊，一個縱隊向東突破，吸引蘇軍。其餘約4000人，向東南方向沿鐵路線突圍。蘇軍對突圍部隊，集中機槍射殺、野炮轟擊，並以5—6架飛機的編組，輪番轟炸和掃射，並出動獨立布里雅特—蒙古騎兵師從側翼襲擊。在重重火力的打擊下，突圍部隊400餘名官兵陣亡，不得不放棄突圍計劃。蘇軍遂對滿洲里城區展開決定性的進攻，在大批坦克的配合下，集中步兵從東、西、東南、西北四面向城區突進。梁忠甲所部全面潰敗，他被蘇軍俘獲；只有一些個別部隊仍然進行激烈反抗，很快被蘇軍大炮和坦克鎮壓下去。
蘇軍再次要求梁忠甲無條件投降，談判在日本領事館進行，梁忠甲當面向蘇軍交出了武器，成為戰俘。
突圍出來的東北守軍在嵯岡車站與胡毓坤派出的先頭部隊相遇，他們饑寒交迫，精神沮喪，潰不成軍，嚴重挫傷了嵯岡的部隊士氣。在嵯岡已經不能再戰。胡毓坤於11月22日拋棄嵯岡，將軍隊撤回到海拉爾。東北當局責令胡毓坤在海拉爾、興安嶺、博克圖設立三道防線，以期穩住西線局勢。
加倫將軍命令蘇軍繼續東進，消滅海拉爾奉軍守軍。
11月26日，大量輕重汽車和裝甲列車滿載蘇軍，從扎賚諾爾直向海拉爾追來。
奉軍於25日撤出了海拉爾。
27日蘇軍進城，沒有遇到任何反抗。
……
中東路事件爆發後，日本方面對中國查封蘇領館，驅逐蘇正、副局長異常側目。蘇奉戰爭期間，關東軍不准中國武裝部隊經由南滿鐵路北運，駐長春第三十八聯隊部並第二大隊日夜進行實彈演習，並投入資金修建營房和陸軍醫院，同時準備再從本土調集一萬人，待雙方精疲力盡後趁機獨霸東北。
由於戰事不利，但加上得到南滿鐵路方面日軍有異動情況，反對與蘇作戰的張作相力勸張學良和平解決。
經過談判，12月3日，雙方在雙城子簽訂《停戰議定書》。規定兩國立即息爭，中東鐵路恢復中蘇合辦，蘇軍儘速退出滿洲里，彼此釋放所俘軍民，重設領事館。
伯力協定實際恢復了中東鐵路的原狀，但對於此時已不能再敗的東北軍來說，總算是一個可以接受的結局。
被蘇軍俘虜的東北邊防軍第十五旅旅長梁忠甲及所部官員自伯力回國，抵達滿洲里。
……
中東路事件劃上了句號，可遠在美國的徐彥卓發動的股市戰爭卻還
