“东北易帜”后，在南京国民政府的怂恿下，东三省当局于1929年5月27日派人搜查哈尔 滨苏联领事馆，将前来领事馆的中东铁路沿线各站、各工厂职工联合会负责人39人逮捕，搜 查重要文件。同时，封闭了苏联职工会，并强迫中东路苏方正、副局长停职。29日，又下令 封闭哈尔滨、齐齐哈尔、海拉尔等地苏联领事馆。7月10日，东三省当局在中东铁路沿线各地 配置军队，没收铁路电报、电话，将中东铁路管理局正、副局长等苏联雇员全部免职，并解 散苏联职工联合会、共产青年团、妇女部、童子军等团体。随后，中东路督办吕荣寰代表东 北当局向苏方副理事长齐尔根提出全部收回中东路的要求。下午2时，东北当局派警察将铁路 管理局各机关全部查封，逮捕苏方总务处长等59人，同时驱逐苏联职工300多人，照会哈尔滨 总领事，命其撤退回国。
　　　　1929年7月13日，苏联外交部照会南京政府，提出抗议。东北当局置之不理，又于15日继 续将中东路沿线居住的苏联人均行驱逐。同时，东北保安总司令张学良发布动员令，派军队 开往东西线，以便对付苏联采取的军事行动。
　　　　7月18日，苏联政府宣布断绝同南京政府的外交关系。8月6日，苏联革命军事委员会下令 建立特别远东军，决定采取军事行动。1929年7月20日，张学良任命吉林和黑龙江两省主席张 作相和万福麟为国防军正、副司令，开始向边界增兵。同年8月15日发布“动员令”，在哈尔 滨和昂昂溪成立一、二军，王树常和胡毓坤分别任一、二军长，指挥东西线东北军。东北军 计有2个军部，15个旅，1个骑兵师，1个松花江江防舰队（各型舰船11艘），约16万人。
　　　　1929年8月6日，苏联组建远东特别集团军，任命布留赫尔元帅为司令员，司令部设在苏 联远东地区的伯力。该集团军辖2个军，共9个师，2个骑兵旅，2个工兵营，1个坦克连，1个 阿穆尔河区舰队（各型舰船14艘）及航空兵一部，约13万人。
　　　　满洲里——海拉尔方向的战斗。8月16日拂晓，苏骑兵由阿巴该图出发，沿额尔古纳河西 岸向奉军十五旅防守的扎赉诺尔阵地发动进攻，双方发生激战。由于奉军顽强抵抗，加之扎 赉诺尔阵地外壕宽深，苏骑兵损失甚众，下午3时撤回。
　　　　9月9日晨，苏军以满洲里为目标发起全线进攻。苏军在16架飞机和猛烈炮火的掩护下， 以装甲车为前导。多次冲击满洲里东北军阵地。东北军五十一团依托坚固阵地，顽强抵抗， 苏军进攻均未奏效。9月24日，苏军步、骑兵约六七千人，地空联合向扎赉诺尔进攻，战斗甚 为激烈，双方伤亡颇重。因东北军阵地坚固，苏军未能攻克。10月2、4、5日，苏军3次以1个 师以上的兵力连续猛攻满洲里，均受挫。
　　　　自8月16日至10月5日，苏军两次进攻扎赉诺尔，4次进攻满洲里受挫之后，暂时停止进攻 ，重新调整部署。11月17日，苏军利用天气寒冷，江河封冻的有利时机，以扎赉诺尔为主攻 方向，全线发起进攻。17日晨，苏军以第五骑兵旅（配属2个步兵营），从阿巴该图向东南方 向迂回扎赉诺尔，切断东北军向嵯岗方向的退路，以第三十五步兵师及所属坦克连从正面向 扎赉诺尔实施主要突击，以第二十一步兵师强攻满洲里，并与正面进攻扎赉诺尔的第三十五 步兵师会合，切断扎赉诺尔与满洲里之间的联系。当天，进攻扎赉诺尔的苏军与东北军第十 七旅发生激战，苏军几次冲入东北军阵地，均被击退。18日上午8时许，苏军再次组织进攻， 至11时许，苏军突破东北军左翼防线，双方随即演成巷战。中午，东北军十七旅旅长韩光第 阵亡，各部各自为战，最后力不能支，扎赉诺尔于18日夜失陷，该地东北军全部被歼。
　　　　11月17日，苏军在进攻扎赉诺尔的同时，以20余架飞机轮番轰炸满洲里周围阵地，接着 步骑兵多次向东北军发起进攻，但均未攻克。在扎赉诺尔获胜后，苏军以一部驻守该地，主 力转向进攻满洲里。11月19日0时，东北军阿尔贡山指挥所被炸毁，山上阵地失守。19日、2 2日两次组织突围不成而撤回满洲里。苏军乘势攻入城内，两军在市内展开激战。次日晨，苏 军占领满洲里。苏军占领扎赉诺尔和满洲里后，继续向海拉尔进攻，驻海拉尔东北军第二军 不战而退，苏军于11月27日进占海拉尔。
　　　　绥芬河——密山方向的战斗。9月7日夜，苏军派遣小分队潜入绥芬河以西地区破坏铁路 。8日午后4时半，苏军6000余人，在炮兵和飞机的掩护下，向绥芬河发起进攻。东北军官兵 死伤甚多。下午5时半，绥芬河守军总退却，撤至小绥芬和八道河子两处。9月11日晚，东北 军重新部署，派十八旅、二十六旅及二十一旅2个团返回绥芬河原防线。9月12日晨8时，苏军 复又向绥芬河发动进攻，守军拚力死守，将苏军击退。
　　　　10月17日，苏军集中1个步兵师、1个骑兵旅和航空兵一部，沿兴凯湖西岸向密山展开进 攻。并以第九骑兵旅和第一步兵师一部，沿白棱河向西实施迂回，切断东北军的退路，以第 一步兵师主力由南向北对密山实施正面攻击。经激战，东北军伤亡1．5万余人，苏军攻占密 山及其以西的太平镇等地。
　　　　同江——富锦方向的战斗。10月12日，苏阿穆尔河区舰队9艘舰艇，协同第二步兵师，在 21架飞机的掩护下，向驻守同江的东北军松花江江防舰队及岸防部队发起进攻。尔后，苏第 二步兵师强渡黑龙江获得成功，即向同江守军实施攻击。东北军不支，退守富锦。
　　　　10月30日，苏以部分部队向富锦实施正面进攻，以主力部队由南迂回富锦，将其团团包 围。天黑时，苏军攻入城内，双方演成激烈巷战，持续整整1夜，黎明前，富锦守军全部投降 。这次战斗，东北军松花江江防舰队全部被歼，守军大部伤亡。
　　　　继攻占富锦后，苏军又攻占萝北、绥滨等县。
　　　　苏军经过4个月的作战，占领了中国东北的一些边境城镇。东北军损失惨重，仅西线东北 军就损失2个旅，共1．1万余人（内8000余人被俘）。东北军在军事失败后，通电求和，苏联 也愿意通过谈判解决问题。12月22日，中苏双方签定了《中苏伯力协定》。其主要内容有： 恢复中东铁路原状，双方尊重1924年“中俄协定”和“奉俄协定”的共同管理原则；立即释 放苏联侨民，恢复事件发生后被免职或自动辞职的苏方人员的职务及苏联在东北各地的领事 馆、贸易和商业机构，苏联政府亦将事件冲突期间逮捕的华人及被俘的中国官兵一律释放。 “协定”签定后，东北当局下令罢免中东路督办吕荣寰，苏方亦迅速撤军。此后，中东路又 恢复到1929年7月10日前中苏合办的状态。