将三个军事重镇分割开后，苏军将作战的重点首先选定扎赉诺尔，集中优势炮火对奉军阵地开始猛烈轰击，为步兵、骑兵冲锋开辟了道路。 下午5点钟扎赉诺尔车站失守。苏军转而从南面向扎赉诺尔防御工事的后方展开攻击。扎赉诺尔守军感到被包围的威胁，进行猛烈的反冲锋。苏军炮兵用霰弹直射密集的人群，并集中大批骑兵从侧翼袭击，守军在反冲锋中伤亡约200名官兵，39人被俘。

入夜后，加伦将军命令将攻城时间推迟到天亮。11月18日8时炮兵准备就绪。苏联空军和炮兵对扎赉诺尔进行更加猛烈的轰炸。

苏军共出动飞机27 架，步骑炮兵3万余人，坦克车20余辆，向满洲里、扎赉诺尔同时进攻。西线东北防俄军司令部投入大批预备队，战斗进行得十分惨烈。在一整天的激战中，东北军旅长韩光第、团长林选青阵亡，团长张季英负伤自杀，全旅付出重大损失后，退往嵯冈车站，扎赉诺尔为苏军占领。

11月19日夜，苏军做短暂休整后回头进攻满洲里。第36、35步兵师向西北方向沿铁路线推进。第5骑兵旅实行纵深迂回，绕到满洲里西南，从那里向市区进攻。在扎赉诺尔东南方向留下断后部队，以备阻击从嵯冈和海拉尔方向西上的奉军。

完成对满洲里的包围后，苏军要求梁忠甲率部投降。梁忠甲拒绝回答，决定依靠构筑的工事进行保卫战。

为拯救陷入重围的梁忠甲，西线东北防俄军总指挥胡毓坤从海拉尔派出一个步兵旅和一个骑兵旅向满洲里增援，并派飞机给梁忠甲报信。但飞行员误将信号筒投在苏军前沿阵地。加伦得知这一情报，立即命令在最短的时间内消灭据守满洲里的防俄军。

梁忠甲不知援军将至，决定突围。

11月21日，他将军队分成两个纵队，一个纵队向东突破，吸引苏军。其余约4000人。向东南方向沿铁路线突围。苏军对突围部队，集中机枪射杀、野炮轰击，并以5—6架飞机的编组，轮番轰炸和扫射，并出动独立布里雅特—蒙古骑兵师从侧翼袭击。在重重火力的打击下，突围部队400余名官兵阵亡，不得不放弃突围计划。苏军遂对满洲里城区展开决定性的进攻。在大批坦克的配合下，集中步兵从东、西、东南、西北四面向城区突进。梁忠甲所部全面溃败。他被苏军俘获；只有一些个别部队仍然进行激烈反抗，很快被苏军大炮和坦克镇压下去。

苏军再次要求梁忠甲无条件投降，谈判在日本领事馆进行，梁忠甲当面向苏军交出了武器，成为战俘。

突围出来的东北守军在嵯冈车站与胡毓坤派出的先头部队相遇，他们饥寒交迫，精神沮丧，溃不成军，严重挫伤了嵯冈的部队士气。在嵯冈已经不能再战。胡毓坤于11月22日抛弃嵯冈。将军队撤回到海拉尔。东北当局责令胡毓坤在海拉尔、兴安岭、博克图设立三道防线，以期稳住西线局势。

加伦将军命令苏军继续东进，消灭海拉尔奉军守军。

11月26日，大量轻重汽车和装甲列车满载苏军，从扎赉诺尔直向海拉尔追来。

奉军于25日撤出了海拉尔。

27日苏军进城，没有遇到任何反抗。

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