防俄战争分为东西两线，首先大规模军事冲突是由东线开始的。
东线东北军的防御最东端为三江口。口外10余里即有苏联舰队游弋。东北军在此共设防线三道：第一道防线即三江口，东北军江防舰队的江平、江安、江泰、利绥、利捷、东乙六舰防守于此，另外还有轮船和拖船改装的运输舰两艘。人员配备：海军1300人，陆战队300人。火力：迫击炮20门，舰炮、机关枪40余门（挺）。第二道防线在三江口与同江之间。第三道防线在富锦下20里之土斯克。第三道防线除水路由各舰扼要防守外，陆路方面也有陆军严密防守。另有海军陆战队连贯江面防务。
东线中东路绥芬河国境线，山林险要，由赵芷香第二十一旅防守，丁超第十八旅驻马桥河。但是东线苏军的主攻方向却不在铁路线上，而是溯松花江西上，直取战略要地哈尔滨。丁超曾经顶住了苏军的数次进攻，但是最后遭到了苏军的迂回，伤亡过万，丢失了密山。
10月12日，爆发了著名的中苏海军三江口富锦之战，亦称同江之役。早5时，苏军出动飞机25架、军舰10艘、机关炮车40余辆，后又增派骑兵约800余名、步兵3000余，在远东特别集团军参谋长拉平率领下，向同江中国军队进攻。至午后3时，同江县城失守。此战役中国海军江防军全军覆没。
详细经过是12日晨在同江的苏联海军阿穆尔河区舰队（也有资料称是苏军远东舰队，但从苏方资料来看应为阿穆尔河区舰队）由斯加斯克率领以旗舰‘雪尔诺夫‘号为首的舰艇共9艘（军舰5艘，其中3艘吨位在950吨以上，另有4艘武装轮船，计有152毫米大炮4门，120毫米大炮18门，并有飞机十余架支援），飞机25架；东北江防舰队则由‘江亨‘舰长尹祚干代理指挥‘利捷‘（旗舰），‘利绥‘，‘江平‘，‘江安‘，‘江泰‘等六艘浅水炮舰应战，另有“东乙”号武装驳船。（除“江亨”为550吨，“利济”为360吨，其余均在200吨以下，全舰队只有120毫米炮5门。）
东北海军由于沈鸿烈的先见之明，事先藏了一艘拖驳船‘东乙‘号在沼泽中，在船上放置两尊120毫米大炮并先详加测准距离。10月12日清晨五点半战事一开启‘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，但未得到苏方资料证实，不久‘雪尔诺夫‘号即沉；苏军的另外三艘亦被‘东乙‘击成重伤。
但到了九点苏军的飞机加入战场，战局马上改观，江平、江安、江太、利捷、东乙等5舰被击沉，利绥舰受重伤逃回富锦。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，并对东北军阵地发起冲击，驻守此地的东北海军陆战队第一大队和陆军一个营协同抵抗，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，阵地被苏军占领。是役东北江防舰队伤亡300余人，舰艇几乎全部损失，‘江泰‘舰长莫耀明亦阵亡。张××、路××两团以下军官17人被打死，士兵伤亡500多人（根据东北军事后公布的数字，总伤亡人数为700余人）。而根据中方公布的数字苏方飞机被击落2架（也有资料称是1架），军舰被击沉3艘，伤数艘，人员伤亡700余名（这是最感到怀疑的数字，因为在全面主动的情况伤亡居然同中方相当，但由于没有苏军公布的资料，暂时以此为准，另有中方资料称苏联海军伤亡70余人，较为可信）。下午2时，苏军进占同江城，次日退出。19日苏军撤走。三江口之战规模不大，但是中苏之间唯一一次海军交战，兵种齐全，有舰艇、飞机、陆战队，形成陆战空立体作战。
13日下午3时，苏联骑兵200余，携炮6尊，乘船越境，向胪膑县库克多博卡伦进攻。卡官因兵力单薄不战而退。
10月15日，苏驻哈尔滨领事馆被捕之苏联人员被东省特别区法院判刑，19日东省特区当局以“有接济共党嫌疑”，对苏联远东银行实行监管，由市政局，总商会和银行公会组成保管远东银行财产委员会，21日南京外交部电令驻德国公使蒋作宾中止与苏联谈判，这一系列事件对于苏军的全面进攻起了火上烧油的作用。
苏军占领同江县城后即自动退出，军舰也退往三江口外。10月14日，东北军收复同江并将同江至富锦的江面水道以沉船封锁。驻在富锦市街的李杜旅罗宪章团，进入城外龙眼山、倭虎力山战壕，修筑工事。
30日晨8时，苏军飞机十余架飞入富锦市街上空，围绕江亨军舰、运输船以及城内的军事目标猛烈投弹。东北军用舰上火炮和机枪顽强还击，苏军飞机不敢低飞。当时李杜和海军陆战队队长尹祖荫正在运输舰上开会，险些被击中。
31日早9时，苏舰7艘突然破坏拦江索，进入富锦江岸。沈鸿烈乘坐江亨舰前往迎战，双方激战于高家屯。东北军的‘利绥‘、‘利川‘舰先后自沉，江亨舰仅发炮三发便自沉。沈鸿烈与李杜决定退守依兰、桦川，建立防线，收容部队。午后7时，苏船21艘由松花江上驶，骑兵一部由吐子元上陆，节节进逼富锦。9时，苏舰7艘靠近富锦江岸，步骑炮兵约六七百名登陆。东北军罗团退守县城，因为孤立无援，遂不战而退至富锦以西之集贤镇，11时富锦县城被占。苏军将“文武机关分别焚烧”，通讯机关尽数破坏。将锦昌火磨等“所有面粉”“分给贫民”，并将“械弹及军需品尽数掠去”。
沈鸿烈于11月1日抵依兰，随即返桦川布防，调集船只将将桦川下游堵塞。李杜于2日由依兰率援军开至桦川，意图反攻富锦。但是自11月1日起北风大作，气温下降，苏联军舰唯恐冻在中国境内，未敢冒然深入。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。8日，依兰、桦川江面开始结冰，苏联军舰全部退往哈巴罗夫斯克。东线战事至此逐渐沉寂。
东线战事东北军虽然一路溃败，但是赢得了时间，迫使苏军在封冻期退出中国境内，未能实现攻占哈尔滨的战略目的。
西线战事的主要战场在满洲里和扎赉诺尔。1929年由秋至冬，东北军与苏军在西线战场大小百余战，苏军逐渐深入中国内地百余公里。东北军改变部署，由原来第十五旅梁忠甲分守满洲里与扎赉诺尔改为梁旅守满洲里，第十七旅韩光第守扎赉诺尔。其中满洲里为第一防线，扎赉诺尔为第二防线。
11月18日，第二军军长胡毓坤至海拉尔坐镇指挥。但是苏军方面动员兵力在5万以上，而东北军只有梁、韩两旅，兵力悬殊，火力更是天壤之别。而且该地区是广袤平原，无险可守，有利于苏军的机械化部队进攻。
11月17日早七时，苏军以四万余人兵力（苏方资料都称苏军当面只有7632人，但在技术兵器上占有优势），大炮三、四百门，坦克车四十余辆，飞机三十多架，在远东集团军司令加仑的指挥下，开始了大规模地进攻满洲里和扎贲诺尔。苏军一方面以相当的兵力包围满洲里，同时以一支部队进攻木差岗站，截断东北军后援。
苏军首先在满洲里投掷炸弹，东北军驻军司令部、电车房、三十八团楼房、宪兵所均被炸毁。无线电台也被震坏，当时满洲里防疫医院院长被炸身亡。据称当时是”敌众势猛，弹如雨注”。同日在扎贲诺尔车站方面已于10时被苏军占领，凌晨四点查罕敖拉广信公司煤矿也被苏军占领，矿区被炸为焦土，所存煤炭付之一炬，煤矿经理孙鹤云被捕，不久又被释放。
18日下午一时，经过两天的激战，扎贲诺尔煤矿也被苏军占领，东北军韩光第旅长、张林雨团长阵亡，全旅官兵伤亡2000以上，千余被俘，呼伦贝尔盟渔税局李局长正值在扎贲诺尔矿也中弹身亡。韩光第旅一向是东北军的精锐之师，此战因为双方火力相较悬殊，又无防空武器，以致劲旅消亡，其失败之惨为近代对外作战史上所罕见。
与此同时，满洲里车站战况越来越激烈，进攻扎贲诺尔的苏军也调到满洲里方向，苏军发起的进攻非常凶猛，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，东北军队饮食困难，加上疲劳过度，苏军以战胜之师，猛烈攻击到满洲里车站南山头，东北军濒于危急关头，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，东北军失去外援，战事越发不利。
19日，东北军司令部所在地南山头已经几乎无兵，苏军飞机投弹甚密，双方越战越近，最后达到了白刃战。在司令部门前的战斗最为激烈，但由于寡不敌众，东北军伤亡甚众，加之外无援军，渐渐不支。双方一直对峙到二十四日晨三时，东北军弹尽粮绝，无力持久。不得已而向扎贲诺尔方向猛烈进攻，试图突破苏军包围。绕道达贲湖退守，以待援军。但最终不得突围，被苏军迎头堵击，将突围部队中央突破而左右均遭苏军攻击，无可奈何只得退回满站，随后苏军炮火猛烈轰击市区。当时．市区秩序大乱，一些无业流氓乘机枪掠民财、—些商店、房屋均被炸毁、焚烧。此时，东北军仍拟扼守四门，进行背城一战。后经当时满站政、警、绅、商各界在一起协商；认为情况十分危迫，军队已弹药尽绝，而援军又一时不能开到。苏军则越攻越猛，越逼越紧。如果再少许延长时间，势将要牺牲众多生命。另一方面考虑当时侨居满市的日本人比较多，其生命财产：又没法保护。根据这种情况，于是便一面请求驻军梁忠甲旅长考虑满市人民的生命财产：另一方面又推举胪膑县长齐肇豫赴满站东巴里木地方，当时市政公所翻释股长赵永禄赴八十六号小站．在苏军炮火猛攻之下，分别与苏军司令官交涉停战。当时，苏军总指挥沃斯特洛索斯基要求解除东北军全部武装。而中方要求苏军进入市区要严守纪律，并对解除武装的官兵保全生命，并要求优待。苏军全部答应了条件。不久即停战，苏军进入市区。东北军被解除武浆，全旅被俘官兵约七千余人，轻伤六百余人。梁忠甲旅长，李、张两参谋长及各团长均于24日被送往苏联境内的大乌里、伯力、赤塔等地。而魏副旅长阵亡，其余官兵伤亡两千余人。
苏军进入满洲里是11月20日早晨十点，随即设立了总司令部和卫戍司令部，在满洲里车站设立了政治探访局，局长为戈彼乌成员。苏军首先给予工人、农民面粉和钱币以便生活。然后将战时民间被抢物资收集到一起，张贴布告，让失主前来认领，并在发放物品时拍摄了照片作为宣传材料。苏军设立的政治探访局专门搜查流窜到满洲里的白党和反对苏联政府的人。当时满洲里俄侨尼基金中学校长戈拉肖夫，房产业主会长果洛阔夫、教堂神甫伊兹沃里斯等二百五十多人以及扎贲诺尔矿华俄职工约二百人均被逮捕，先后押解苏境。同时在各机关职员中进行搜查，逮捕了警察署长和官兵九十多人，以及路警、巡警等五十多人也被逮捕押解苏联。市区实行了非常严格的秩序管理，颁布了军事管制条例，街上行人只能通行到夜晚十点。苏军占领后几天，一些商店开始营业，苏联的卢布和中国的银圆同时使用。教堂也开始礼拜，个别学校复课，还开放了几个电影院，专门放映一些宣传苏联社会制度的电影。至此，东北军一线全面崩溃。11月23日苏机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。
对于满洲里之战，苏联方面也有一种记述：
“在后贝加尔地区，中国部队的兵力将近16000人。可我军只有7632名战士。布柳赫尔（加仑）决定对敌人采取各个击破的方针。11月17日凌晨3时库班骑兵第5旅从阿巴盖图伊镇出发，步兵35师尾随其后，越过河的冰面，沿额尔古纳河东岸向扎贲诺尔集群后方挺进。中午在该城以东10-12公里处切断铁路，从后方进攻扎贲诺尔。切断敌人从满洲里的退路。中国部队的一个营为了避免被包围，向骑兵旅侧翼发起突击。红色骑兵以勇猛的冲锋把敌人打的溃不成军。第二天骑兵在步兵第8团的支援下再次进攻扎贲诺尔。争夺扎贲诺尔的战斗持续了两昼夜。敌人虽然完全被包围，而且他们的技术又不如我们，但是还是进行了前所未见的抵抗。他们把工事修的非常坚固，以至野战炮兵和榴弹炮兵都未能炸毁战壕和掩蔽部的盖板。经过两昼夜战斗18日苏联军队终于打跨了敌人的顽抗，冲进占领了该市。
与此同时我军其他部队包围了满洲里的中国部队。向他们提出无条件投降的最后通牒。敌人决心防守，步兵第1旅、骑兵第3旅和一个炮兵营从嵯岗至扎贲诺尔方向增援。布柳赫尔命令立即发起总攻。11月20日清晨起战斗越来越激烈。敌人拼命企图突围。他们企图在布里亚特蒙古族骑兵营的阵地上突破。汗讲诺夫从塔昌卡（一种苏式马车，苏军常常在上面架设重机枪做为机动火力）上向进攻的中国士兵散兵线扫射。这只是敌人的诱惑性突击，敌人的主力企图向南突围。后贝加尔集群的所有炮兵和装甲列车都参加了作战，航空兵不断从空中不断从空中进行轰炸。由于伤亡惨重，中国部队只好缩回城里，接着也就投降了。只有少数残敌逃进小山深处。
敌人第15、17旅被彻底击败。战斗结果：俘虏8000多人，打伤近1000人。俘虏中包括西北战线长官（西路护路军司令）梁忠甲将军和他的司令部人员以及近250名军官。敌人被击毙1500人。我们缴获了敌人所有的火炮、两列装甲列车和大批物资、武器和装备。
我军希望不再继续流血战斗，号召敌军步兵第1旅和骑兵第3旅的官兵放下武器投降。然而这项和平建议再次遭到了拒绝。苏联军队被迫继续进攻。于11月23日占领嵯岗车站。四天以后占领了海拉尔城。”
根据苏方资料，在这次战斗，苏军死亡143人，失踪4人，受伤665人。而崔可夫在回忆录认为苏军俘虏了张学良，实际张学良在中东路之役中一直呆在沈阳，崔可夫将梁忠甲当作张学良。
11月25日黑河市政筹备处令佛山县停止办公，办理迁移事宜。12月9日，该县商民迁至乌云。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。