主力集中到三江口，为防止苏军溯江而上进攻哈尔滨，他在松花江三江口至哈尔滨设置了三道防线，在紧要处修筑炮台、要塞，以铁索、水雷封锁江面。沈鸿烈还将手下四个海军陆战团，分散部署在同江、绥东、哈尔滨、三江口外的三角洲、富锦、桦川、依兰等地。东北军的陆军第二旅、第九旅也分布于抚远、同江、绥东、富锦、桦川、依兰一带。以十门高射炮配置在同江、绥东；另有战斗机二架、侦察机两架驻防同江。
8月19日，苏军攻陷黑龙江以南，松花江北岸的绥滨县城。
10月12日凌晨，苏联阿穆尔河区舰队的舰艇驶抵松花江口，包括“雪尔诺夫”、“孙中山”、“红色东方”号浅水重炮舰，“红旗”号、“无产者”号炮舰和四艘武装轮船。6时12分，“红色东方”号首先向江岸上的炮垒开火，其他苏联舰艇也同时发动，来往江面，以全部火力轰击东北江防舰队。东北江防舰队则由“江亨”舰长尹祚干代理指挥“利捷”、“利绥”、“江平”、“江安”、“江泰”等六艘浅水炮舰应战，中苏海军之间仅有的一次战斗正式打响。
沈鸿烈事先藏了一艘拖驳船“东乙”号在芦苇浅滩中，在船上安装了两门120毫米大炮。10月12日清晨5点半战事一开始，“东乙”即发炮攻击停泊不动的苏军旗舰，苏军未料到中方有此一招，当即被击中指挥舰桥，据中方称在炮击中苏军司令，参谋长，旗舰舰长等多人当场阵亡。不久“雪尔诺夫”号即沉；苏军的另外三艘舰艇亦被“东乙”击成重伤。
在江面上发生激战的时候，18架苏联战机凌空飞入，分为数组，一组飞富锦、一组飞绥滨，分别进行轰炸，有三架飞机，盘旋在三江口上空，投掷炸弹，协助苏联舰队作战。“利捷”号被炸穿船底，逐渐下沉，前主炮已被击毁、失去战斗力的“利绥”号赶来救援，将船员救出，退往富锦。
此时，“红色东方”号在压制了江岸上的炮垒后，转移火力轰击“江平”号炮舰，很快就将该舰击沉。苏联浅水重炮舰集中攻击对其威胁最大的“东乙”号，而“东乙”号仗着矮小的个头躲过了大多数攻击，苏舰遂将炮火集中在拖曳它的“江安”号身上，该舰很快就船舷中炮，甲板碎裂，起火燃烧；不久又被击中锅炉，引起爆炸，舰体断成两截，官兵死伤惨重。“孙中山”号击中“江泰”号后舱，将舵轮炸飞，无法机动；接着“江泰”号主炮又被击毁，代理舰长莫耀明亦阵亡，终被击沉。开战一个半小时以后，唯一还在江面上战斗的只剩下不是军舰的“东乙”号了，在苏联浅水重炮舰的猛烈攻击下，船体被炸坏，火炮也被击毁，已经无力再战，被迫自沉。其幸存官兵转移到商船上，撤往富锦。
其后苏军飞机和舰艇集中火力掩护步兵400多人在三江口地区登陆，进攻东北军阵地。驻守此地的东北海军陆战队第一大队和陆军一个营共同抵抗，击退了苏军首次进攻。苏军调集援兵近3000人，迂回到下游10余里处，袭击守军侧翼，经过白刃战后，守军大部战死，大队长李润青以下70多人被俘，阵地被苏军占领。东北海军伤亡500多人（包括海军陆战队），“江泰”舰长莫耀明阵亡，军舰被击沉4艘，重伤1艘，“海骏”号炮艇被苏军俘获。陆军阵亡营长孟昭林以下军官17名、士兵350名。苏方飞机被击落2架，军舰被击沉3艘，伤数艘，人员伤亡700余名。下午2时，苏军进占同江城，次日退出。
正在哈尔滨开会的沈鸿烈听到同江失守的消息，星夜赶到富锦，把带有铁架的驳船一艘、商船三艘沉在富锦下游14公里处的航道上，形成堵塞线；并在附近设置了坚固的炮兵阵地和长达13公里的掩体线，破坏了从同江到富锦公路上所有的桥梁，以防苏舰来犯。
30日，苏军再占同江。31日早9时，苏舰7艘突破拦江铁索，进入富锦江岸，与中国军队激战，另有少数骑兵登岸。苏联浅水重炮舰绕过水中沉船，用炮火掩护步兵登陆。眼见无力抵抗，已经重伤的“利绥”舰和没有战斗力的“利川”号拖船先后自沉，只有“江亨”舰参战，但“江亨”舰上的炮手多数战死于“东乙”号上，仅发炮三发便被苏联军舰击成重伤，被迫自沉，舰员争相逃命。午后9时，苏联人清除了水中的沉船，苏舰7艘靠近富锦江岸，步骑炮兵约六七百名登陆。东北军不战自溃，11时富锦县城被占。沈鸿烈只得率领海军余部和陆军一起退向桦川的第三道防线，苏军将城内文武机关分别焚烧，通讯设施尽数破坏。据苏联称：此战有近300名中国军人战死，数千人被俘，而苏军只死亡3人，伤11人。11月1日晚，苏军步骑炮兵由东门撤走。2日晨，苏舰陆续撤走。
除上述两个主要方向外，中苏两军在边境沿线的其他地区也发生了零星交火。8月31日，苏军舰艇炮轰黑河察哈彦等三卡伦。9月4日下午4时，苏机8架轰炸绥芬河车站，中方伤亡50余人，一团长受伤。9月7日，苏军炮击绥芬河，炸毁列车数辆，绥芬河车站站房被毁。9月16日夜，苏军百余名袭击胪膑县库克多博卡哨卡，焚毁房屋。9月28日，苏军200余人攻打