同江、富锦两战之后，由于南京国民政府仍旧坚持不能轻易妥协，中苏交涉仍无进展，苏军于11月中旬再度发起进攻。17日，苏军步骑兵在航空兵的掩护下，首先攻击了中国东北境内的密山，东北军死伤超过千人。同时，苏军于外贝加尔集聚8000人的兵力，在坦克、装甲车和飞机的协同下，大规模进攻了扎赉诺尔，全歼东北军装备精良的第17旅。仅1天，第17旅即全军覆没，旅长韩光弟、副旅长魏长林、团长林选青等先后阵亡，团长张秀英等自杀。苏军随即包围了满洲里，于20日迫使东北军守军8000余人全部投降，大批武器装备被缴获。苏军随后还乘胜追击到嵯岗站，并占领了海拉尔。
张学良对上述作战的情况也深感沮丧，其给南京报告的电称：“八月十二日，俄军二千余人与炮舰水陆并进，侵入绥县之中兴镇及李家油房，杀戮人民甚多……十九日俄军侵入绥滨县城，占领官署，烧毁公文，破坏监狱……二十八日俄军侵入奇乾县毕拉尔河，惨杀商民百余名，烧焚房屋甚多。十月十二日，俄军步骑三千余人，炮舰八艘，飞机二十五架侵入松花江，我炮舰一艘，改装炮舰三艘被毁，海军陆战队及陆军共死伤八百人。俄军占领同江县城，焚烧房屋甚多……三十一日，俄军兵由松花江深入一百余里，占领富锦县城，烧毁官署电台，劫商店工厂之粮食，以兵力宣传赤化主义。十一月十七日，俄军三万余人以飞机坦克车各二十余侵入满洲里及扎（赉）诺尔，卢（胪）滨县署及煤矿均被占领，电台铁路车站均被击毁，旅长一员，团长二人，均被击死，下级官佐士兵死亡一千五百余人……同日，密山县城亦被俄军据陷，并以飞机向我军猛攻，击死营长一人，连长三人，士兵三百余名，并向平阳镇一带进攻，深入内地百余里。”