西元８月１７日，中国国民政府对苏联宣战。Du00.coM武装冲突的规模进一步升级，中东铁路事件已经由武装冲突发展为一场不折不扣的战争。
苏军以中东铁路西端的满洲里——扎贲诺尔方向为陆上进攻的主要方向，东北军方面在满洲里——扎贲诺尔方向防御的是梁忠甲的第十五混成旅和韩光第的第十七混成旅。
８月１７日，中国对苏宣战当天，苏军步、骑兵一个团进犯满洲里，与满洲里中国守军梁忠甲旅激战４小时。８月１８日晚10点30分，苏军又开始向扎贲诺尔东北军第四十三团二、三营阵地攻击。８月２０日早６时，苏军用铁甲列车运兵２００余名，向梁忠甲部骑兵十团进攻，战斗１小时左右苏军退去。９月４日，苏军以异常猛烈的火力向驻扎兰诺尔的中国军队阵地右翼轰击。９月９日下午４时，苏军约一个团，在大炮掩护下，由十八里小站方面向满洲里车站中国军队发起猛攻，直到晚８时３０分，苏军才撤退。
9月中旬以后，中苏谈判完全破裂，苏联决定对东北军发起致命性的打击。１０月４日，东北边防军司令长官公署拟定《国民义勇军组织条例》，鼓励组织义勇军支援对苏战争。冲突进一步升级。
10月２日，苏军步兵千余人向满洲里守军三十八团三营阵地进攻，双方战斗激烈。随后又不断以飞机大炮掩护向满洲里车站各阵地进攻，双方战斗到３日晨。10月10日，贝加尔方面苏军３万人向中国东北边界进发，而此时负责防守梁忠甲旅已与苏军战斗数十日之久，后援不继，告急求援。
11月16日，苏军以四万余人兵力，大炮三、四百门，坦克车四十余辆，飞机三十余架开始了对满洲里和扎贲诺尔的大规模地进攻。夜11时，苏军首先以坦克引导步兵开始了对扎贲诺尔的进攻。17日早7时，苏军飞机又开始轰炸满洲里，中国驻军司令部、电车房、三十八团楼房、宪兵所均被炸毁，无线电台也被震坏。
17日10时扎贲诺尔车站被苏军占领，18日下午1时，扎贲诺尔煤矿也被苏军占领，中国守军韩光第旅长、张林雨团长阵亡，全旅官兵伤亡过半，千余被俘。
攻占扎贲诺尔后，苏军集中兵力猛攻满洲里，一时间硝烟弥漫、炮弹横飞，当时炸毁民宅多处，日本领事馆隔壁的日本旅馆也被炸毁。双方激战两昼夜，梁忠甲旅长亲自率领全旅官兵全力抵抗，苏军进展缓慢。此时扎贲诺尔方面已经完全失守，中国守军失去外援，饮食困难，加上疲劳过度，战事对中国军队十分不利。战至19日，中国守军司令部所在地南山头已经几乎无兵守卫。虽然苏军飞机频繁轰炸使中国军队伤亡惨重，但中国官兵毫不退让，顽强抵抗着苏军的进攻。在中国守军司令部门前双方进行了激烈的白刃交锋，喊杀之声，闻于数里。由于寡不敌众，加之外无援军中国军队渐渐不支。20日凌晨3时，弹尽粮绝、无力再战的中国军队向扎贲诺尔方向突围，试图绕道达贲湖退守，以待援军，但遭到苏军迎头堵击，只得退回火车站，随后苏军炮火猛烈轰击市区。守军决心背城一战，死守国土。
但此时满洲里各界代表协商后认为守军败局已定，继续抵抗下去已经意义不大，为了保护全市人民及外国侨民生命财产应及早停止战斗。于是要求梁忠甲旅长停止抵抗，与苏军交涉停战。在苏军答应了守军提出的严守纪律，善待中国平民和放下武器的中国军人的条件后，中国军队向苏军总指挥沃斯特洛索斯基缴械投降，11月20日早10时苏军进入市区。中国军队在3天的战斗中伤亡副旅长以下官兵一千五百余人，伤一千余人，被俘七千余人，其中包括旅长以下250余名军官。梁忠甲旅长、旅参谋长及各团长均于二十四日押往苏联境内。苏军死亡１４３人，失踪４人，受伤６６５人。
满洲里陷落后西线东北军全线崩溃。11月23日苏军占领嵯岗车站。同日苏军飞机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。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。
除满洲里外，中东铁路事件中苏军另一个主要的进攻方向为松花江与黑龙江交汇处的同江地区。
中东铁路事件爆发后，苏联红海军阿穆尔河区舰队即进入战备状态，从主要基地哈巴罗夫斯克（中国称伯力，位于黑龙江和乌苏里江的汇合点）直接驶向国境线，将其主力集中在同江附近的三江口，苏军将阿穆尔河区舰队的舰艇配置于三江口外三角洲以北400米的苏联江岸，海军陆战队配置在江岸上，配合作战的陆军则部署在纵深地区，与东北军隔江对峙。三江口距离中东铁路的中心枢纽哈尔滨仅不到400公里，一旦被苏军占领，则苏联舰队可在数日内抵达滨江城下。
东北军方面，东北海军代总司令沈鸿烈奉命督率东北联合舰队的江防舰队在同江和三江口布防。沈鸿烈把江防舰队的