蘇軍經過兩個多月的時間，通過西伯利亞大鐵路集結了超過八萬人以上的強大兵力，后勤補給也沒有問題，而同時奉蘇談判完全破裂，9月18日蘇聯政府向各國大使宣布，關于中東鐵路問題，蘇方始終主張和平解決，而中國態度虛偽，毫無誠意。認為今后之交涉無望，以前經過德國調停一切交涉斷然中止。此后對于中俄國境惹起一切不祥事件之責任，蘇概不承擔，決定對東北軍發起致命性的攻擊，以促使東北當局回到談判桌前。
東北軍對此亦有了解，故10月4日，東北邊防軍司令長官公署擬定《國民義勇軍組織條例》。內稱，“赤羌寇邊，首在抗御，凡屬國民或團體有為國犧牲效命疆場之志愿者，投為義勇兵、義勇軍”。條例規定，名義上屬個人者，定為國軍義勇兵，屬于團體者定名為國民義勇軍。
10月2日，蘇軍步兵千余人向滿洲里三十八團三營陣地進攻，雙方戰斗激烈。隨后又不斷以飛機大炮掩護向滿洲里車站各陣地進攻，雙方戰斗到3日晨。
10月10日，貝加爾方面蘇軍3萬人向中國東北邊界進發，而此時負責防守梁忠甲旅已與蘇軍對峙數十日之多，后援不繼，告急求援。
10月12日，爆發了著名的中蘇海軍三江口富錦之戰，亦稱同江之役。早5時，蘇軍出動飛機25架、軍艦10艘、機關炮車40余輛，后又增派騎兵約800余名、步兵3000余，向同江中國軍隊進攻。至午后3時，同江縣城失守。此戰役中國海軍江防軍全軍覆沒。
詳細經過是十二日晨在同江的蘇聯海軍阿穆爾河區艦隊(也有資料稱是蘇軍遠東艦隊，但從蘇方資料來看應為阿穆爾河區艦隊)由斯加斯克率領以旗艦"雪爾諾夫"號為首的艦艇共9艘(軍艦5艘，其中3艘噸位在950噸以上，另有4艘武裝輪船，計有152毫米大炮4門，120毫米大炮18門，并有飛機十余架支援)，飛機25架;東北江防艦隊則由"江亨"艦長尹祚干代理指揮"利捷"(旗艦)，"利綏"，"江平"，"江安"，"江泰"等六艘淺水炮艦應戰，另有“東乙”號武裝駁船。(除“江亨”為550噸，“利濟”為360噸，其余均在200噸以下，全艦隊只有120毫米炮5門。)
東北海軍由于沈鴻烈的先見之明，事先藏了一艘拖駁船"東乙"號在沼澤中，在船上放置兩尊120毫米大炮并先詳加測準距離。十月十二日清晨五點半戰事一開啟"東乙"即發炮攻擊停泊不動的蘇軍旗艦，蘇軍未料到中方有此一招，當即被擊中指揮艦橋，據中方稱在炮擊中蘇軍司令、參謀長、旗艦艦長等多人當場陣亡，但未得到蘇方資料證實，不久"雪爾諾夫"號即沉;蘇軍的另外三艘亦被"東乙"擊成重傷。
但到了九點蘇軍的飛機加入戰場，戰局馬上改觀，江平、江安、江太、利捷、東乙等5艦被擊沉，利綏艦受重傷逃回富錦。其后蘇軍飛機和艦艇集中火力掩護步兵400多人在三江口地區登陸，并對東北軍陣地發起沖擊，駐守此地的東北海軍陸戰隊第一大隊和陸軍一個營協同抵抗，擊退了蘇軍首次進攻。蘇軍調集援兵近3000人，迂回到下游10余里處，襲擊守軍側翼，經過白刃戰后，守軍大部戰死，陣地被蘇軍占領。是役東北江防艦隊傷亡300余人，艦艇幾乎全部損失，"江泰"艦長莫耀明亦陣亡。張××、路××兩團以下軍官17人被打死，士兵傷亡500多人(根據東北軍事后公布的數字，總傷亡人數為700余人)。而根據中方公布的數字蘇方飛機被擊落2架(也有資料稱是1架)，軍艦被擊沉3艘，傷數艘，人員傷亡700余名(這是最感到懷疑的數字，因為在全面主動的情況傷亡居然同中方相當，但由于沒有蘇軍公布的資料，暫時以此為準，另有中方資料稱蘇聯海軍傷亡70余人，較為可信)。下午2時，蘇軍進占同江城，次日退出。19日蘇軍撤走。三江口之戰規模不大，但是中蘇之間唯一一次海軍交戰，兵種齊全，有艦艇、飛機、陸戰隊，形成陸戰空立體作戰。
13日下午3時，蘇聯騎兵200余，攜炮6尊，乘船越境，向臚臏縣庫克多博卡倫進攻�？ü僖虮伪〔粦鸲恕�
10月15日，蘇駐哈爾濱領事館被捕之蘇聯人員被東省特別區法院判刑，19日東省特區當局以“有接濟共黨嫌疑”，對蘇聯遠東銀行實行監管，由市政局，總商會和銀行公會組成保管遠東銀行財產委員會，21日南京外交部電令駐德國公使蔣作賓中止與蘇聯談判，這一系列事件對于蘇軍的全面進攻起了火上燒油的作用。
10月26日，蘇軍百余名攻占奇乾縣，同日黑河電燈公司被炸毀。
10月30日，蘇軍再占同江。31日早9時，蘇艦7艘突然破壞攔江索，進入富錦江岸，與中國軍隊激戰，有少數騎兵登岸。中方的"利綏"，"利川"艦先后自沉只有"江亨"艦參戰，但僅發炮三發便自沉(有其與蘇軍激戰一小時，不實)，艦員爭相逃命，此即富錦之役。午后7時，蘇船21艘由松花江上駛，騎兵一部由吐子元上陸，節節進逼富錦。9時，蘇艦7艘靠近富錦江岸，步騎炮兵約六七百名登陸。東北軍不戰自潰，11時富錦縣城被占。中國軍隊退向樺川。蘇軍將“文武機關分別焚燒”，通訊機關盡數破壞。將錦昌火磨等“所有面粉”“分給貧民”，并將“械彈及軍需品盡數掠去”。11月1日晚，蘇軍步騎炮兵由東門撤走。2日晨蘇艦陸續撤走。
以后蘇軍連續起動進攻，至11月11日成立了哈爾濱戒嚴司令部，15日宣布戒嚴。
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