西元８月１７日，中国国民政府对苏联宣战。武装冲突的规模进一步升级，中东铁路事件已经由武装冲突发展为一场不折不扣的战争。
苏军以中东铁路西端的满洲里——扎贲诺尔方向为陆上进攻的主要方向，东北军方面在满洲里——扎贲诺尔方向防御的是梁忠甲的第十五混成旅和韩光第的第十七混成旅。
８月１７日，中国对苏宣战当天，苏军步、骑兵一个团进犯满洲里，与满洲里中国守军梁忠甲旅激战４小时。８月１８日晚10点30分，苏军又开始向扎贲诺尔东北军第四十三团二、三营阵地攻击。８月２０日早６时，苏军用铁甲列车运兵２００余名，向梁忠甲部骑兵十团进攻，战斗１小时左右苏军退去。９月４日，苏军以异常猛烈的火力向驻扎兰诺尔的中国军队阵地右翼轰击。９月９日下午４时，苏军约一个团，在大炮掩护下，由十八里小站方面向满洲里车站中国军队发起猛攻，直到晚８时３０分，苏军才撤退。
9月中旬以后，中苏谈判完全破裂，苏联决定对东北军发起致命性的打击。１０月４日，东北边防军司令长官公署拟定《国民义勇军组织条例》，鼓励组织义勇军支援对苏战争。冲突进一步升级。
10月２日，苏军步兵千余人向满洲里守军三十八团三营阵地进攻，双方战斗激烈。随后又不断以飞机大炮掩护向满洲里车站各阵地进攻，双方战斗到３日晨。10月10日，贝加尔方面苏军３万人向中国东北边界进发，而此时负责防守梁忠甲旅已与苏军战斗数十日之久，后援不继，告急求援。
11月16日，苏军以四万余人兵力，大炮三、四百门，坦克车四十余辆，飞机三十余架开始了对满洲里和扎贲诺尔的大规模地进攻。夜11时，苏军首先以坦克引导步兵开始了对扎贲诺尔的进攻。17日早7时，苏军飞机又开始轰炸满洲里，中国驻军司令部、电车房、三十八团楼房、宪兵所均被炸毁，无线电台也被震坏。
17日10时扎贲诺尔车站被苏军占领，18日下午1时，扎贲诺尔煤矿也被苏军占领，中国守军韩光第旅长、张林雨团长阵亡，全旅官兵伤亡过半，千余被俘。
攻占扎贲诺尔后，苏军集中兵力猛攻满洲里，一时间硝烟弥漫、炮弹横飞，当时炸毁民宅多处，日本领事馆隔壁的日本旅馆也被炸毁。双方激战两昼夜，梁忠甲旅长亲自率领全旅官兵全力抵抗，苏军进展缓慢。此时扎贲诺尔方面已经完全失守，中国守军失去外援，饮食困难，加上疲劳过度，战事对中国军队十分不利。战至19日，中国守军司令部所在地南山头已经几乎无兵守卫。虽然苏军飞机频繁轰炸使中国军队伤亡惨重，但中国官兵毫不退让，顽强抵抗着苏军的进攻。在中国守军司令部门前双方进行了激烈的白刃交锋，喊杀之声，闻于数里。由于寡不敌众，加之外无援军中国军队渐渐不支。20日凌晨3时，弹尽粮绝、无力再战的中国军队向扎贲诺尔方向突围，试图绕道达贲湖退守，以待援军，但遭到苏军迎头堵击，只得退回火车站，随后苏军炮火猛烈轰击市区。守军决心背城一战，死守国土。
但此时满洲里各界代表协商后认为守军败局已定，继续抵抗下去已经意义不大，为了保护全市人民及外国侨民生命财产应及早停止战斗。于是要求梁忠甲旅长停止抵抗，与苏军交涉停战。在苏军答应了守军提出的严守纪律，善待中国平民和放下武器的中国军人的条件后，中国军队向苏军总指挥沃斯特洛索斯基缴械投降，11月20日早10时苏军进入市区。中国军队在3天的战斗中伤亡副旅长以下官兵一千五百余人，伤一千余人，被俘七千余人，其中包括旅长以下250余名军官。梁忠甲旅长、旅参谋长及各团长均于二十四日押往苏联境内。苏军死亡１４３人，失踪４人，受伤６６５人。
满洲里陷落后西线东北军全线崩溃。11月23日苏军占领嵯岗车站。同日苏军飞机12架轰炸海拉尔，呼伦公安局等自海拉尔向博克图站撤退。24日苏军攻占海拉尔。11月26日黑龙江省政府和东北边防军司令官公署决定，从本日起在齐齐哈尔宣布戒严，并委任窦联芳为临时戒严司令，所有驻省军警均归该司令指挥。
除满洲里外，中东铁路事件中苏军另一个主要的进攻方向为松花江与黑龙江交汇处的同江地区。
中东铁路事件爆发后，苏联红海军阿穆尔河区舰队即进入战备状态，从主要基地哈巴罗夫斯克（中国称伯力，位于黑龙江和乌苏里江的汇合点）直接驶向国境线，将其主力集中在同江附近的三江口，苏军将阿穆尔河区舰队的舰艇配置于三江口外三角洲以北400米的苏联江岸，海军陆战队配置在江岸上，配合作战的陆军则部署在纵深地区，与东北军隔江对峙。三江口距离中东铁路的中心枢纽哈尔滨仅不到400公里，一旦被苏军占领，则苏联舰队可在数日内抵达滨江城下。
东北军方面，东北海军代总司令沈鸿烈奉命督率东北联合舰队的江防舰队在同江和三江口布防。沈鸿烈把江防舰队的主力集中到三江口，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余人攻打毕拉尔河，打死打伤男女百姓百余人。10月13日下午3时，苏联骑兵200余，乘船越境，向胪膑县库克多博卡伦进攻。10月26日，苏军百余名攻占奇乾县，同日苏军炸毁黑河电灯公司。
自开战以来，中国军队在各个方向的作战都陷于被动，在苏军的连续打击下节节败退，损失惨重。到11月底，东北军在各条战线上的人员伤亡已经累计近万，损失了大量的装备和物资。另一方面，中东路事件爆发后，日本方面认为这是一个扩大其在华侵略利益的良机，他们对东北军的调动百般阻挠，不准中国武装部队经由其控制的南满铁路北运。驻扎在辽宁的日本关东军也蠢蠢欲动，不断组织演习、抢修工事，随时有可能借中苏交战之机挑起事端，坐收独霸东北的渔翁之利。
面对苏军的大举进攻，南京国民政府外交部曾通告《非战公约》签字国，请求列强调停。12月3日，英、美、法三国照会中苏两国，要求苏、中停止战争。但苏联拒绝第三国参与调停，建议苏、中两国协商解决。鉴于东北军的败局已经很难挽回，张学良于是接受苏联的建议，决定停战议和，和平解决中东铁路冲突。经过谈判，12月3日东北方面谈判代表蔡运升与苏联代表斯曼诺夫斯基在双城子签订了《停战议定书》。６日，东北政委会决定承认《停战议定书》，并派蔡运升为正式会议代表于12月16日与苏方代表斯曼诺夫斯基、梅里尼可夫在伯力外交公署开始中苏预备会议谈判。22日，蔡运升与梅里尼可夫在伯力签订《中苏伯力会议草约》，规定两国立即息争，中东铁路恢复中苏合办，苏军尽速退出满洲里，彼此释放所俘军民，重设领事馆。议定书恢复了苏联在1929年7月10日以前在中东铁路的一切权益，中东路事件基本得到解决。12月底，苏军开始撤军，但继续占领黑龙江和乌苏里江交汇处面积达360平方公里的抚远三角洲(黑瞎子岛)等中国领土。中国方面则释放了冲突发生以来逮捕的苏方人员。1930年初，苏方释放了冲突中被俘的中国官兵。
中东铁路事件最终以中国军队的惨败收场，为了安抚在这次冲突中损兵折将、实力大伤的东北地方势力，表彰其积极坚定的****立场，蒋介石将中华民国首批青天白日勋章授予参与指挥了这场中苏战争的张学良，王树常，胡毓坤，于学忠，邹作华，沈鸿烈等东北军将领。
近代的中俄关系史，实际上就是一部沙皇俄国不断对我国进行侵略和掠夺的历史，无论在事实上还是感情上，俄国政府都欠下了中国人民偿还不清的血债。在十月革命胜利以后，苏联政府并没有像它宣传的那样以无产阶级国际主义为原则处理与中国和其他社会主义及被压迫民族国家的关系。而是继承了沙俄时代的大国主义、民族利己主义立场，和从沙俄时代开始的东进扩张政策。从二十世纪二十年代后期至四十年代，特别是斯大林执政以后，
苏联利用中国国内政局的混乱，非但不履行苏俄对华宣言，废除帝俄对华不平等条约，反而超越不平等条约的规定强占了若干中国领土，制造了外蒙古的独立。具体到中东铁路问题，苏联不仅不能落实苏俄对华宣言中放弃特权的承诺，反而欲扩大其在中东铁路的有损中国主权的特权。这是造成西元1929年中苏冲突的根本原因。蒋介石推行其反苏****的反动政策、借机铲除异己势力，张学良希望借收回中东铁路之机扩大东北势力的实力和影响、树立个人威望，东北地方一部分人企图独占中东铁路以便贪污分肥、中饱私囊则是导致这场战争的直接原因。西元1929年的中苏冲突的发生，固然有当时的国民党政府内部各政治派别为一己私利相互倾轧利用，不顾人民安危轻易兴兵开战的原因。但收回中东铁路本身，与当时国民政府实行关税自主、废除领事裁判权、收回租界等行动一样，是被压迫民族国家争取实现领土主权完整的正义行动。而苏联政府在对待这次事件上，从既得利益的民族利己主义出发，向一个被压迫民族弱国发动武装进攻，这是非正义的，是违背苏联政府一向标榜的无产阶级国际主义精神的。
中东路事件对中国造成了深远的影响。苏联在中东铁路问题上不仅不放弃帝俄对华不平等条约，不能落实苏俄对华宣言中的承诺，反而欲保持其在中东铁路问题上有损中国主权的特权的态度和行动，使得中国国内的一部分民众敌视苏联，敌视苏联所代表的共产主义，这使蒋介石反苏****的政策得到了一定的社会舆论上的支持，达到了他挑起冲突的预期效果。而东北军的失败，不仅使本来可以在未来战争中用于抵抗日本帝国主义侵略的国防力量遭受了巨大损失，也暴露了东北军外强中干的实际情况，坚定了日本吞并东北的野心，直接鼓励了日本关东军在东北采取行动。
至此，东北已经陷入了极大的危机之中，而南京政府方面还为之而洋洋得意，因为，此举削弱了东北军，又降低了张学良的威望，并且，还使得国际上看到了南京政府反共产主义的决心与勇气！
这实在是有百利而无一害的事情，至于东北大局会怎么样，日本人会如何，南京政府自然是不会担忧的，因为，东北军虽然改旗易帜了，但实际上还等于是国中之国，这种情况，借助外力来改变一下，也是很不错的嘛，南京政府对此乐见其成。
这次大战，李德才的战车部队本来也奉命前往，只是被日本人阻扰，还没有来得及参战，便就已经结束了，而相守仁则更是连战争的调令都没有收到，不过，空军也是出战了，不过没有出动留法系，也没有出动亲日系，派出的是本土系的成员，结果被击落了三架飞机之后，再也不敢参战，苏联的战机无论是在质量还是速度上，都远胜于东北。
此战，痛定思痛，东北航空处决定下大力气进行重组，这次的战争，再一次的显示出了空军的重要性，对此，相守仁是非常乐见其成的，只是，上面的注意是好的，可是落实到一线的时候，却不免变了样……