至此，东北军一线全面崩溃。
11月23日苏机12架轰炸海拉尔。呼伦公安局等自海拉尔向博克图站撤退。24日苏军攻占海拉尔。
苏方资料与此相近：
“11月17日清晨苏联太平洋第1师和骑兵独立第9旅的部队向离边境40公里远的密山开进。骑兵旅在航空兵支援下消灭了不少中国部队，于傍晚时分抵达了密山敌军的后方。及时赶到的步兵击溃了奉天骑兵第一师和白卫军的几个团。敌人的损失光被击毙的就近1500人。
苏军占领了敌人的司令部，缴获了7面团旗和大量的武器。
在后贝加尔地区，中国部队的兵力将近16000人。可我军只有7632名战士。布柳赫尔决定对敌人采取各个击破的方针。11月17日凌晨3时库班骑兵第5旅从阿巴盖图伊镇出发，步兵35师尾随其后，越过河的冰面，沿额尔古纳河东岸向扎贲诺尔集群后方挺进。中午在该城以东10-12公里处切断铁路，从后方进攻扎贲诺尔。切断敌人从满洲里的退路。中国部队的一个营为了避免被包围，向骑兵旅侧翼发起突击。红色骑兵以勇猛的冲锋把敌人打的溃不成军。第二天骑兵在步兵第8团的支援下再次进攻扎贲诺尔。争夺扎贲诺尔的战斗持续了两昼夜。敌人虽然完全被包围，而且他们的技术又不如我们，但是还是进行了前所未见的抵抗。他们把工事修的非常坚固，以至野战炮兵和榴弹炮兵都未能炸毁战壕和掩蔽部的盖板。经过两昼夜战斗18日苏联军队终于打跨了敌人的顽抗，冲进占领了该市。
与此同时我军其他部队包围了满洲里的中国部队。向他们提出无条件投降的最后通牒。敌人决心防守，步兵第1旅、骑兵第3旅和一个炮兵营从嵯岗至扎贲诺尔方向增援。布柳赫尔命令立即发起总攻。11月20日清晨起战斗越来越激烈。敌人拼命企图突围。他们企图在布里亚特蒙古族骑兵营的阵地上突破。汗讲诺夫从塔昌卡（一种苏式马车，苏军常常在上面架设重机枪做为机动火力）上向进攻的中国士兵散兵线扫射。这只是敌人的诱惑性突击，敌人的主力企图向南突围。后贝加尔集群的所有炮兵和装甲列车都参加了作战，航空兵不断从空中
不断从空中进行轰炸。由于伤亡惨重，中国部队只好缩回城里，接着也就投降了。只有少数残敌逃进小山深处。
敌人第15、17旅被彻底击败。战斗结果：俘虏8000多人，打伤近1000人。俘虏中包括西北战线长官（西路护路军司令）梁忠甲将军和他的司令部人员以及近250名军官。敌人被击毙1500人。我们缴获了敌人所有的火炮、两列装甲列车和大批物资、武器和装备。
我军希望不再继续流血战斗，号召敌军步兵第1旅和骑兵第3旅的官兵放下武器投降。然而这项和平建议再次遭到了拒绝。苏联军队被迫继续进攻。于11月23日占领嵯岗车站。四天以后占领了海拉尔城。”
根据苏方资料，在这次战斗，苏军死亡143人，失踪4人，受伤665人。而崔可夫在回忆录认为苏军俘虏了张学良，实际张学良在中东路之役中一直呆在沈阳，崔可夫将梁忠甲当作张学良。
中东路事件的解决
25日黑河市政筹备处令佛山县停止办公，办理迁移事宜。12月9日，该县商民迁至乌云。11月26日黑龙江省政府和东北边防军司令官公署决定，从本日起在齐齐哈尔宣布戒严，并委任窦联芳为临时戒严司令，所有驻省军警均归该司令指挥。
由于战事不利，但加上得到南满铁路方面日军有异动情况，反对与苏作战的张作相力劝张学良和平解决，经过谈判，12月3日蔡运升与苏联代表斯曼诺夫斯基在双城子签订《停战议定书》（又称“双城子会议纪要”）。规定东北当局将中东铁路理事长吕荣寰撤职，由苏方推荐中东铁路局正、副新局长；双方重申遵守中俄、奉俄两协定。5日，蔡回沈阳报告。6日，东北政委会决定承认《停战议定书》，并派蔡为正式会议代表。5日吕荣寰辞去中东铁路督办职务。11日，郭福绵代理中东铁路公司督办。