中国军队凌晨的突袭取得战果颇丰，收复了大片的阵地，尤其是投入重兵争夺的北面阵地，扩宽了近2里长的阵地为为阵地赢得了必要的防御纵深，也使得司令部暂时免除被突出打击的状况，对整个阵线的稳固起到了重要作用。
尽管夺回了阵地，苏军的凌厉反击随后就到，在火炮的掩护下，苏军发起了高频率的波次进攻，但毕竟黑夜难以有效指挥，炮火威力及准确度上大打折扣，一直打到天明，夺回的阵地已经牢牢在中国军队的手中。
天亮后，苏军以猛烈炮火打击阵地，足足持续了一个小时，倾泻了上万发炮弹，等到上午8点钟，苏军的飞机轰鸣而来，在飞机大炮的掩护下，苏军展开了迅猛的反击，前沿阵地几乎瞬间失守，双方士兵在近距离内激烈的对射，子弹如泼水一样迎面飞来，每一条阵地争夺都要付出上百人的性命，一个个连队在阵地上拼光。
上午9点10分，中国空军十余架战机方才姗姗来迟，半数战机上弹痕累累，几架战机还冒着滚滚的黑烟，他们在中途受到大批苏军战机的拦击，一路拼杀损毁6架飞机才来到战场，尽管损失巨大，但己方战机的到来振奋了守军的精神，鼓舞了官兵的斗志，借着飞机的扫射轰炸，拼死搏杀，又从苏军手里抢回了数条阵地。
当日的战役呈白热化，苏军在四面阵地对守军的结合部和薄弱部进行突破进攻，直到下午7点太阳彻底落山，苏军不休进攻持续了11个小时，进行团以上规模进攻十七次，双方近九万重兵在海拉尔几平方公里厮杀，战场上尸横累累，每一条阵地都经历了反复的争夺，血水在战壕低洼汇成了河，堪称激烈。
尽管中国军队进行了顽强反击，但苏军依旧攻陷了不少阵地，其中东北军第5旅防守的西面防线丢失阵地最多，被苏军深入了2里，距离喇嘛庙只剩下4里的距离，而受苏军进攻最严重的北面阵地，苏军夺下了400多米长的阵地，这里面新一军和东北军的作战意志就显露出来，这也是李伯阳放着满编的东北军不用，却用激战一日损失不小的模范旅做主力防守部队的原因。
不仅正面阵地战激烈，而左右翼支队的回援也是激战连连，苏军在左右支队回援的道路上设下了十几道的阻击，进展速度缓慢。
……
满洲里大战正酣，沈阳的张学良犯了一个严重错误，他误以为苏军在遭遇富锦战败后无力进攻，便疏忽了东线的防御，谁料苏军集结了红军第1太平洋步兵师、第9独立远东骑兵旅等1万2千人部队，向密山为中心的密山—太平镇—梨树镇一线发起了猛攻，指挥该部队的是曾在北伐军任军事顾问的阿伊切列潘诺夫，此人与布柳赫尔一样都是中国通，是一位极擅长运动战的将军，他充分发挥了苏军空军和炮兵的优势，利用空军掩护轰炸，骑兵长途突袭的战术，越过中苏边境，一路攻破密山、平安镇，并向梨树镇、穆棱进攻，这时候张学良方才大惊失色的急调大军前去拦击，两军在梨树镇和马桥河一线遭遇作战，急冲赶来的东北军受到苏军的猛烈进攻，被切列潘诺夫指挥军队以运动战左右开弓的击败，并在苏军的追击下丢失了穆棱车站，退到安宁、海林一线才站稳了脚。
吃了败仗不怕，张学良正打算抽调长春附近的部队配合王树常的东线军进攻苏军，日本关东军忽然在沈阳和长春增兵一个联队，并举行极有挑衅的军事演习，在南满铁路上的关东军也有集结动作，这一切都说明日本有趁中苏交战图谋东三省的想法，张学良大惊失色，东北军对苏作战耗费了近7成的实力，如果日本来攻，后果不堪设想。
张学良紧认为苏联是癣疥之疚，而日本人才是心腹大患，权衡轻重后，只得放任苏军在吉林东耀武扬威，而急令王树常率领东线大军回防南满铁路，监视日本关东军下一步动作。
同时，张学良急电南京，请蒋介石以国府名义警告日本在东北的异动，蒋介石闻讯后派人去质问日本驻华公使芳泽，芳泽回复只是正常军演，让蒋介石放心。
蒋介石将芳泽的原话告诉张学良，却没有打消张学良的顾虑，论起交道张学良和芳泽从北洋时期就开始了，他深知日本人说一套做一套，由于从国府得不到有利支持，张学良在对苏作战问题上开始摇摆起来，东北军不可能同时对日苏作战，因此他急于结束中东路战事，从而全力应付日本人的威胁。
尽管蒋介石一再禁止东北对列国的单独外交政策，张学良还是暗中派出使者，通过德国驻奉领事，对苏联传递了求和的想法。
这一消息通过外交途径很快传到莫斯科及特别远东军司令部，斯大林早就想结束这场无聊的战争，但他不认为张学良是可以和他同等对话的人，他给布柳赫尔下的命令是，要求红军狠狠的打击东北军，直到张学良乞和。
张学良专门给李伯阳发电，说明了目前遭遇的困境，并说求和也是不得已而为之。
李伯阳接到电报时，已经是苏军围攻海拉尔的第三日，高强度的战争使得双方都有些精疲力竭，经过连日的激战，模范旅只剩下五分之二的兵力，火线被苏军推进到司令部1里外的地方，这个距离已经在苏军的步枪射程之内，师范大楼被枪炮打的千疮百孔，浓烟滚滚。
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