至此，東北軍一線全面崩潰。
11月23日蘇機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日清晨蘇聯太平洋第1師和騎兵獨立第9旅的部隊向離邊境40公里遠的密山開進。騎兵旅在航空兵支援下消滅了不少中國部隊，于傍晚時分抵達了密山敵軍的后方。及時趕到的步兵擊潰了奉天騎兵第一師和白衛軍的幾個團。敵人的損失光被擊斃的就近1500人。
蘇軍占領了敵人的司令部，繳獲了7面團旗和大量的武器。
在后貝加爾地區，中國部隊的兵力將近16000人。可我軍只有7632名戰士。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旅從阿巴蓋圖伊鎮出發，步兵35師尾隨其后，越過河的冰面，沿額爾古納河東岸向扎賁諾爾集群后方挺進。中午在該城以東10-12公里處切斷鐵路，從后方進攻扎賁諾爾。切斷敵人從滿洲里的退路。中國部隊的一個營為了避免被包圍，向騎兵旅側翼發起突擊。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團的支援下再次進攻扎賁諾爾。爭奪扎賁諾爾的戰斗持續了兩晝夜。敵人雖然完全被包圍，而且他們的技術又不如我們，但是還是進行了前所未見的抵抗。他們把工事修的非常堅固，以至野戰炮兵和榴彈炮兵都未能炸毀戰壕和掩蔽部的蓋板。經過兩晝夜戰斗18日蘇聯軍隊終于打跨了敵人的頑抗，沖進占領了該市。
與此同時我軍其他部隊包圍了滿洲里的中國部隊。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起總攻。11月20日清晨起戰斗越來越激烈。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重機槍做為機動火力）上向進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，航空兵不斷從空中
不斷從空中進行轟炸。由于傷亡慘重，中國部隊只好縮回城里，接著也就投降了。只有少數殘敵逃進小山深處。
敵人第15、17旅被徹底擊敗。戰斗結果：俘虜8000多人，打傷近1000人。俘虜中包括西北戰線長官（西路護路軍司令）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。
我軍希望不再繼續流血戰斗，號召敵軍步兵第1旅和騎兵第3旅的官兵放下武器投降。然而這項和平建議再次遭到了拒絕。蘇聯軍隊被迫繼續進攻。于11月23日占領嵯崗車站。四天以后占領了海拉爾城。”
根據蘇方資料，在這次戰斗，蘇軍死亡143人，失蹤4人，受傷665人。而崔可夫在回憶錄認為蘇軍俘虜了張學良，實際張學良在中東路之役中一直呆在沈陽，崔可夫將梁忠甲當作張學良。
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，并委任竇聯芳為臨時戒嚴司令，所有駐省軍警均歸該司令指揮。
由于戰事不利，但加上得到南滿鐵路方面日軍有異動情況，反對與蘇作戰的張作相力勸張學良和平解決，經過談判，12月3日蔡運升與蘇聯代表斯曼諾夫斯基在雙城子簽訂《停戰議定書》（又稱“雙城子會議紀要”）。規定東北當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、奉俄兩協定。5日，蔡回沈陽報告。6日，東北政委會決定承認《停戰議定書》，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。11日，郭福綿代理中東鐵路公司督辦。