至此，東北軍一線全面崩潰。
11月23日蘇機(jī)12架轟炸海拉爾。呼倫公安局等自海拉爾向博克圖站撤退。24日蘇軍攻占海拉爾。
蘇方資料與此相近：
“11月17日清晨蘇聯(lián)太平洋第1師和騎兵獨(dú)立第9旅的部隊(duì)向離邊境40公里遠(yuǎn)的密山開進(jìn)。騎兵旅在航空兵支援下消滅了不少中國部隊(duì)，于傍晚時分抵達(dá)了密山敵軍的后方。及時趕到的步兵擊潰了奉天騎兵第一師和白衛(wèi)軍的幾個團(tuán)。敵人的損失光被擊斃的就近1500人。
蘇軍占領(lǐng)了敵人的司令部，繳獲了7面團(tuán)旗和大量的武器。
在后貝加爾地區(qū)，中國部隊(duì)的兵力將近16000人?？晌臆娭挥?632名戰(zhàn)士。布柳赫爾決定對敵人采取各個擊破的方針。11月17日凌晨3時庫班騎兵第5旅從阿巴蓋圖伊鎮(zhèn)出發(fā)，步兵35師尾隨其后，越過河的冰面，沿額爾古納河?xùn)|岸向扎賁諾爾集群后方挺進(jìn)。中午在該城以東10-12公里處切斷鐵路，從后方進(jìn)攻扎賁諾爾。切斷敵人從滿洲里的退路。中國部隊(duì)的一個營為了避免被包圍，向騎兵旅側(cè)翼發(fā)起突擊。紅色騎兵以勇猛的沖鋒把敵人打的潰不成軍。第二天騎兵在步兵第8團(tuán)的支援下再次進(jìn)攻扎賁諾爾。爭奪扎賁諾爾的戰(zhàn)斗持續(xù)了兩晝夜。敵人雖然完全被包圍，而且他們的技術(shù)又不如我們，但是還是進(jìn)行了前所未見的抵抗。他們把工事修的非常堅固，以至野戰(zhàn)炮兵和榴彈炮兵都未能炸毀戰(zhàn)壕和掩蔽部的蓋板。經(jīng)過兩晝夜戰(zhàn)斗18日蘇聯(lián)軍隊(duì)終于打跨了敵人的頑抗，沖進(jìn)占領(lǐng)了該市。
與此同時我軍其他部隊(duì)包圍了滿洲里的中國部隊(duì)。向他們提出無條件投降的最后通牒。敵人決心防守，步兵第1旅、騎兵第3旅和一個炮兵營從嵯崗至扎賁諾爾方向增援。布柳赫爾命令立即發(fā)起總攻。11月20日清晨起戰(zhàn)斗越來越激烈。敵人拼命企圖突圍。他們企圖在布里亞特蒙古族騎兵營的陣地上突破。汗講諾夫從塔昌卡（一種蘇式馬車，蘇軍常常在上面架設(shè)重機(jī)槍做為機(jī)動火力）上向進(jìn)攻的中國士兵散兵線掃射。這只是敵人的誘惑性突擊，敵人的主力企圖向南突圍。后貝加爾集群的所有炮兵和裝甲列車都參加了作戰(zhàn)，航空兵不斷從空中
不斷從空中進(jìn)行轟炸。由于傷亡慘重，中國部隊(duì)只好縮回城里，接著也就投降了。只有少數(shù)殘敵逃進(jìn)小山深處。
敵人第15、17旅被徹底擊敗。戰(zhàn)斗結(jié)果：俘虜8000多人，打傷近1000人。俘虜中包括西北戰(zhàn)線長官（西路護(hù)路軍司令）梁忠甲將軍和他的司令部人員以及近250名軍官。敵人被擊斃1500人。我們繳獲了敵人所有的火炮、兩列裝甲列車和大批物資、武器和裝備。
我軍希望不再繼續(xù)流血戰(zhàn)斗，號召敵軍步兵第1旅和騎兵第3旅的官兵放下武器投降。然而這項(xiàng)和平建議再次遭到了拒絕。蘇聯(lián)軍隊(duì)被迫繼續(xù)進(jìn)攻。于11月23日占領(lǐng)嵯崗車站。四天以后占領(lǐng)了海拉爾城。”
根據(jù)蘇方資料，在這次戰(zhàn)斗，蘇軍死亡143人，失蹤4人，受傷665人。而崔可夫在回憶錄認(rèn)為蘇軍俘虜了張學(xué)良，實(shí)際張學(xué)良在中東路之役中一直呆在沈陽，崔可夫?qū)⒘褐壹桩?dāng)作張學(xué)良。
中東路事件的解決
25日黑河市政籌備處令佛山縣停止辦公，辦理遷移事宜。12月9日，該縣商民遷至烏云。11月26日黑龍江省政府和東北邊防軍司令官公署決定，從本日起在齊齊哈爾宣布戒嚴(yán)，并委任竇聯(lián)芳為臨時戒嚴(yán)司令，所有駐省軍警均歸該司令指揮。
由于戰(zhàn)事不利，但加上得到南滿鐵路方面日軍有異動情況，反對與蘇作戰(zhàn)的張作相力勸張學(xué)良和平解決，經(jīng)過談判，12月3日蔡運(yùn)升與蘇聯(lián)代表斯曼諾夫斯基在雙城子簽訂《停戰(zhàn)議定書》（又稱“雙城子會議紀(jì)要”）。規(guī)定東北當(dāng)局將中東鐵路理事長呂榮寰撤職，由蘇方推薦中東鐵路局正、副新局長；雙方重申遵守中俄、奉俄兩協(xié)定。5日，蔡回沈陽報告。6日，東北政委會決定承認(rèn)《停戰(zhàn)議定書》，并派蔡為正式會議代表。5日呂榮寰辭去中東鐵路督辦職務(wù)。11日，郭福綿代理中東鐵路公司督辦。