1929年7月張學良強行收回中東路之後，蘇聯政府宣佈與中國全面絕交，並加緊軍事戰備，以武力解決中東路爭端。8月6日，蘇聯軍事委員會發布第223號命令，命令駐紮在遠東境內的全部武裝力量合併為一個集團軍，即蘇聯特別遠東集團軍，並任命曾在北伐期間擔任國民革命軍軍事總顧問的布留赫爾（即加倫）為集團軍司令，指揮部設在赤塔。遠東集團軍總兵力約四萬餘人，下屬3個步兵師、1個騎兵師，1個蒙古騎兵營，並配有大量飛機、坦克、重炮、戰艦等技術兵器，其中僅戰機就有69架，還裝備了當時蘇聯最新型的MC－1坦克。此外，阿穆爾河（黑龍江）區艦隊也負責予以海軍方面的支援。
8月15日，張學良下達對蘇作戰動員令，組成兩個防俄軍，王樹常為第一軍軍長，負責整個東線，即松花江一線的指揮，司令部設在了綏芬河；胡毓坤為第二軍軍長，負責西線，即滿洲里--扎賚諾爾--海拉爾一線的指揮，司令部設在了滿州里。19日又成立了滿洲里防俄軍前方總指揮部，委任丁超為前方總指揮，梁忠甲為防俄前方督戰司令。防俄軍兵力與蘇軍大體持平，但武器裝備遠不如對方，一旦開戰，不僅難有勝算，且易被日本人坐收漁翁之利。因此，東北地方當局一度傾向於通過談判的方式來結束事件，派出蔡運升與蘇方接洽。而中國駐德大使蔣作賓，也捲入其中，交涉德國進行斡旋。但因蔣介石一直不肯真正接受蘇方最起碼的談判條件而告失敗。中蘇邊境大戰勢所難免。
10月11日，蘇聯特別遠東軍為趕在松花江封凍之前結束戰鬥，首先對同江一線的東北軍發動猛烈進攻。雖然東北軍擁有規模僅次於國民政府中央海軍的地方性艦隊，並擊中蘇軍旗艦"雪爾諾夫"號艦橋，但蘇軍炮艦憑藉強大的空中火力支持，很快壓制中國守軍的火力。經過一個多小時的戰鬥，東北軍松花江艦隊被擊潰。12日，蘇軍採用了空軍、海軍配合陸地上的步兵、騎兵協同作戰的方式，擊退守衛江岸的東北軍，佔領同江。此役東北軍損失官兵250人，被俘150人，而蘇軍僅死亡5人，傷24人。
之後，蘇軍暫時撤回了部隊，以便進一步觀察南京政府和東北當局的態度以及國際社會的反應。張學良本想恢復對蘇聯的談判，但口風一出，立即受到南京政府和輿論的質疑。他只得增派第7步兵旅馳援富錦，再和蘇軍硬拼一番。10月30日上午，蘇軍戰機飛抵富錦上空，向東北軍進行轟炸，擊沉了中國松花江艦隊的殘餘艦船。31日，蘇軍集中軍艦7艘，飛機9架，步騎兵3,000餘人，各種炮80餘門，全力進攻富錦，激戰一直從上午10時進行到下午4時，蘇軍未能攻下富錦。為防止被圍，東北守軍棄城撤走。11月1日蘇軍入城。 此次戰鬥，東北軍300名官兵戰死，幾百人負傷被俘；蘇軍陸、水兵死3人，11人負傷。
同江一線作戰失敗後, 張學良督令東北防俄軍加強西線防守。在滿洲里--扎賚諾爾--海拉爾一線集結了大約了26,000名官兵，140挺機槍，108門迫擊炮，近80門輕炮，3輛裝甲車，5-7架飛機，並構築了廣闊的工事帶。但蘇軍憑藉其30門重炮、9輛坦克、32架飛機的優勢，於11月17日夜越過中蘇邊境，分兵幾路先後將西線的三個軍事要地滿洲里、扎賚諾爾和海拉爾分割開來。然後，首選扎賚諾爾作為進攻的重點，集中優勢炮火對中國軍隊陣地開始猛烈轟擊，東北守軍進行了猛烈的反衝鋒，雙方互有傷亡。蘇軍傷亡70名官兵，包括兩枚紅旗勳章獲得者、騎兵連長皮裡平科。這是自中蘇發生邊境衝突以來蘇軍所蒙受的最大損失。
11月18日8時，蘇聯空軍和炮兵對扎賚諾爾進行更加猛烈的轟炸，蘇騎步兵在坦克的掩護下發起了衝擊。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，東北軍餘部退往嵯岡車站，與駐紮那裡的守軍會合。扎賚諾爾落入了蘇軍手中。不久，攻佔扎賚諾爾的蘇軍轉向西進，駐守滿洲里的梁忠甲第15旅更是陷入重重包圍之中。西線東北防俄軍總指揮胡毓坤從海拉爾派出兩個旅的兵力增援梁忠甲，並派出飛機報信，但飛行員誤將信號筒投在了蘇軍陣地的前沿。梁忠甲不知援軍將至，決定向南突圍。11月21日，突圍部隊遭遇了來自蘇軍陸地和空中的重重堵截，以失敗而告終。隨後，蘇軍對滿洲里城區展開決定性的進攻，旅長梁忠甲以下八千餘人被俘。
滿洲里失守後，張學良不再聽從南京政府的禁令，派哈爾濱交涉員蔡運升設法與蘇聯外交部接洽，談判解決中東路問題，並於11月25日主動撤出了海拉爾。但布留赫爾依舊派出空軍緊隨中國後撤部隊一路轟炸，使當地軍民繼續遭受戰火的蹂躪。
11月17日，蘇軍在西線發動進攻的同時，還開始了在東線綏芬河-密山一線作戰。當天傍晚，蘇軍佔領密山，18日太平鎮失守。在消滅了密山東北軍的軍事設施後，蘇軍撤回了蘇境。但佔據著海拉爾的蘇軍不撤，以保持對東北當局的高壓態勢。
此次中蘇邊境戰爭歷時40余天，蘇軍大獲全勝，俘獲和殺傷東北軍近2萬人，繳獲大批武器彈藥和軍事物資，摧毀了松花江艦隊以及同江、富錦、滿洲里、扎賚諾爾、海拉爾等地東北軍的營房、堡壘、通訊設施等各種軍事目標。東北軍自此元氣大傷，為日本關東軍所輕視，而發動後來的九一八事變。張學良最初想用武力收回中東路主權，最終仍不得不坐到談判桌上來，接受蘇聯恢復中東路原狀的條件。
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