20日夜，俄军第三步兵师开始从新沙赫京斯基撤出，乘车赶往双城子，撤退行动严格保密，前沿的巡哨和值勤由后卫部队照常进行，主力部队从城外道路绕往火车站，未曾惊动居民，火车开出时禁止鸣笛，运兵的车皮涂上红十字伪装成运伤员的车皮，运火炮的车皮则将火炮周围堆满木材伪装成运货车皮，沿线布置了3个骑兵团和大批护路巡逻队。一整夜，华军都未曾察觉第三师的移动，派出侦察铁路线状况的小股骑兵侦察队不是被击退就是被消灭，侦察队没有取得有实际价值的情报。直到次日清晨，华军第13步兵师的3个旅和第11师的33旅仍集结在新沙赫京斯基周围，另外还得到两个骑兵团的支持，合计兵力达4万8千人，集结的军属和师属火炮包括36门150毫米重榴弹炮、72门105毫米加农炮和48门90毫米榴弹炮，旅属火炮包括72门75毫米野战炮和24门100毫米迫击炮。而此时新沙赫京斯基俄军的环形阵地内，只有前沿布置着不到两千名可快速撤出阵地的骑马步兵。原来的炮兵阵地上安设了用木头和铁皮拼成的假炮，为免露馅，还在假炮上方设置了蓬布和树枝作掩饰，而各团营地内总共可供约两万人使用的营帐也还留在原地，以便欺骗华军的空中侦察队。
21日晨9时，第三野战军司令官陈星云中将接到侦察飞机的报告：“……敌阵地比较安静，部分阵地似乎作了防空伪装，昨天发现的火炮大多已不在原地……”
陈星云对这份报告并不在意，毫不犹豫地下令，第32旅准备按计划执行对双城子要塞的佯攻，第33旅准备按计划执行穿新沙赫京斯基与双城子间的穿插作战，第13步兵师准备按计划夹击新沙赫京斯基之敌军，野战军属航空浮空集群亦应按计划分批出击，支援地面作战。
命令传至前线，第三野战军各部于9时30分同时开始行动，第32步兵旅与第5骑兵旅的第13、14团从新沙赫京斯基以南5公里外展开，驱散俄军少量骑兵队和护路巡逻队，向铁路沿线的两个俄军据点群发起猛攻，迅速夺取这两个据点，布置起南北两重背对防线，割断了新沙赫京斯基与双城子之间的铁路联系。
第13师则集中两百多门大炮猛烈轰击新沙赫京斯基西北方面的防线，俄军当然无力还击，前沿守军纷纷撤出阵地，骑上马向东部的沼泽和森林中退却。
31旅则在第三野战军参谋长赵民河的注视下，对双城子要塞发起了佯攻作战。为达到吸引俄军注意力的效果，为31旅提供火力支援的炮兵力量也十分可观，合计18门150毫米重炮、54门105毫米加农炮和18门90毫米榴弹炮，另外还集结了24门旅属的75毫米野战炮。独立第四炮兵旅第20特别重炮团的3门305毫米重型攻城炮昨晚才运到，连夜装配完毕，一大早也加入了炮击行列，首先发出了一排撼人心肺的剧响，350公斤的巨弹沿着低伸弹道飞向俄军坚固的水泥要塞，炸出几团绚烂火团。随即大小火炮一起开放，俄军阵地前沿顿成火海，部分堡垒炮台也遭弹雨包围，火团骤闪骤灭，硝烟散乱起伏，俨然大举进攻之前奏。
俄军进攻部队此时尚未进入出发阵地，所以并未受到严重打击，猛烈的炮击却使斯特塞尔中将吃了一惊，以为己方情报失误，华军的真正进攻方向却在此处，连忙派人到各阵地询问情况，不久从新沙赫京斯基传来消息，华军正以重兵猛攻该处阵地，斯特塞尔才放下心来。不料很快又传来消息，华军步兵正在炮火掩护下，自要塞西面跃出战壕，向要塞前沿阵地接近。
“不会吧，难道我们判断失误？敌军已经把各预备师团也投入了战斗吗？”
斯特塞尔疑惑起来。
“现在担心也没用，命令要塞的重炮兵向敌人步兵开火吧。”
旁边康特拉琴柯少将说道，斯特塞尔也暂时拿不出主意，只好照办。
不一时，有人来报，说是要塞重炮刚一开火，敌军步兵就已躲了回去。
“不过如此嘛。”
斯特塞尔得意起来，旁边康特拉琴柯却不以为然道：“如果对方真想进攻要塞的话，炮火准备的时间应该要长得多，步兵的进攻也应该坚决得多，不会如此轻易就放弃，我看敌人只是在徉动而已，意图大概是要牵制我军，使我军无法去救援第3师。他们应该还不知道，第3师已经撤了回来，现在我们至少可动用十个步兵团和五个骑兵团去进攻当面之敌，可用的野战火炮也增加到300门，要塞的十多门重炮也可以对那个方向上的敌人阵地实施轰击。如此一来，歼灭或重创要塞西面之敌的作战目标就更有希望实现了。现在我们应该动用手头的全部300门大炮对敌人的步兵和炮兵阵地全力轰击，步兵按今天凌晨的修订计划分三波次发起突击，骑兵在步兵两翼掩护并包抄敌军侧翼，坚决实施歼灭作战。”
“恩，歼灭作战，这么说来，是时候开始了。”
斯特塞尔摩拳擦掌起来，一长串命令迭连下达，俄军的作战机器快速运转起来，很快，俄军安排妥当的260门火炮开始向华军阵地猛烈轰击，布置在前沿的3个华军75毫米野战炮连几分钟内即被压制住，华军草草筑成的战壕和射击掩体被一段段轰毁，刚刚退回出发阵地的华军32旅的94、95团遭到如此急促密集的炮火轰击，损失惨重，部分连队解体，溃兵拥向后方。
正在空中巡逻的华军飞艇和飞机立即向地面报告了俄军炮群的位置，华军重炮由空中校射，向俄军炮兵阵地反击，但因俄军火炮多置于坚固据点和掩体内，未能有效压制住。
1个多小时的炮火准备后，分属3个师的10个俄国步兵团开始对华军阵地发起波次突击，共有5个团构成第一波，3个团构成第二波，2个团为第三波兼预备队。
俄军的作战正面约10公里，主要突击正面约5公里。第3师的2个团布置在战线北段，第4师的4个团布置在战线中段，第5师的4团布置在战线南段，第4师和第5师担负主攻任务，第3师负责掩护和牵制。
俄军出发阵地距离华军最前哨的掩体不过1000码（914米），距华军主要防御线大约2公里。双方阵地之间混杂着草地、田地、栅栏、小土坡和稀疏的树木，华军方面的射界并不算开阔，俄军方面可利用的掩蔽物也不少，何况俄军占有绝对的数量优势，第一波攻击即展开了5个满编步兵团约两万人，虽然其后的第二波和第三波的5个团均不满编，却也有一万七千人左右。此外，俄军还在步兵部队两翼和侧后展开了5个骑兵团大约4000名骑兵执行掩护和快速支援任务。俄军当面的华军32旅经过10余天作战后，可用兵员不过8000人，且部署在前沿的两个团一开始即遭俄军炮火猛击，战斗力遭到严重削减。
眼看着形势骤变，一直呆在前沿观看32旅实施佯攻作战的野战军参谋长赵民河中将立即策马赶往己方主阵地线后方2公里外的第11师师部，找到师长郑虹少将，劈头就道：“快派出预备队，敌军重兵攻过来了。”
郑虹指了指身边气喘吁吁的一名参谋官：“下官已经知道了，我正想去前面亲眼看个明白，再做决断……”
“我已经看明白了，现在我们一起去前面，不过要立即命令31旅动起来，还要发电报给司令部，让他们调拨援兵。”
“是，我这就去办。”
当赵民河携郑虹来到距离前线主阵地几百码外的一处小坡上时，两人清楚地看到了一股股人流从要塞的前沿阵地中涌了出来，在原野上散开成散兵线，一点点，一片片，一股股，向两人所在之处逼近。
“轰隆”一声，一发炮弹打在赵民河前边十几码外，灰土落了赵民河等人满头满脸，一名随行参谋官小腿被弹片击中，被郑虹嘱令赶回司令部包扎。
接连又有三四发炮弹打在附近，郑虹紧张起来：“参谋长，这里太危险，还是回师部去吧。”
赵民河看看前面远方，又转头看看后面的树林，树林后即是司令部所在。
他点点头：“这里危险的话，就换个地方，但暂时还不要回师部，我们再到别的地方看看，敌人刚刚开始动作，形势还不大明朗，我们看清楚了才好组织反击。对了，发电报请求空中支援了吗？”
“已经发了，不知道什么时候可以来。”
赵民河拍拍马头，举起马鞭向更接近阵地一处矮坡指去：“希望他们赶快点吧，好了，我们往那边去看看，不知道32旅能顶多久。”
“32旅顶得住的，我敢打包票。”郑虹说道。
“看看再说吧。”
赵民河双腿夹了夹马肚子，马鞭一抽，冲下土坡，郑虹等人跟在后面一溜而下。一分钟后，一发炮弹正好击中赵民河的立马之处，无意间回首望见此景的郑虹不由倒吸一口冷气。
此时，华军布置在隐蔽掩体中的团属、营属轻型火炮开始向俄军步兵轰击，配备了精密瞄准具的华军狙击手以精准火力疯狂屠杀俄军领头军官，轻重机枪也断断续续地发言起来，俄军打头的几个营遭到严重杀伤，但俄军的凶猛炮火逐渐将华军步兵的抵抗压制了下去。俄军步兵步步逼近，夺取了若干前哨据点，又向华军主阵地线压过去，眼看俄兵越冲越近，最前面的人将要踏上主阵地线的战壕边缘，忽然几排枪弹急促发来，扫倒一片俄兵，原来是作为32旅预备队的96团已然赶到，以营连为单位，补进了战线中，暂时遏制了俄军的前进势头。
俄军当然不肯罢休，仗着兵力雄厚，加紧攻击，炮火猛洗华军阵线，枪弹乱飞如蝗，远东第6师师长纳英杰少将亲率本部3个团在战线南段猛攻，付出巨大代价后，突破了华军94团阵地，西伯利亚第6骑兵师师长米辛科少将立即率本部4个团3200名骑兵从突破口中迅速穿出，向华军后方地域的炮兵阵地、后勤仓库和司令部席卷而去。
赵民河把这一幕着实看在眼里，料到事情不妙，心急如焚，就要率身边的警卫队去阻挡俄军，诸卫兵当然不允，旁边郑虹更是好言相劝，与众人一起挟持着赵民河，退向师部。跑到半路，斜刺里杀出数十俄国骑兵，在头顶上旋舞着马刀冲杀过来，警卫队举枪拦射，击倒数骑，余者蜂拥而近，赵民河与郑虹亦拔出随身左轮枪，连扣扳机，打落好几名敌兵。然而敌兵人多势众，呼啸而至，眨眼间战斗已转为近身肉搏，刀飞血舞，马嘶人号，不一时，十来名警卫员只剩下三四人尚在马背上，随行的参谋官全部落马，赵民河与郑虹亦不得不抽出指挥刀与敌拼杀，然而几番砍杀，敌兵还有二三十骑，己方战士却几近全灭。赵民河不由大叫一声：“天欲葬我于此乎！”
俄兵也不知他叫的什么，扬鞭策马，围聚过来砍杀他，那边郑虹郑师长，见形势危急，冲过去在赵民河马后狠抽一鞭，只把自己挡在了敌兵面前。赵民河的战马嘶叫一声，窜出敌阵，向北奔去，赵民河转头一看，却见郑虹被敌兵围杀，遂调转马头，又挥刀过去助战，连着砍杀了两名敌兵，不料一弹袭来，正中赵中将左肩，手一软，松开缰绳，落下马来。郑虹见状便急着过去援救，一分心，被一名敌兵砍中右臂，马刀失手而落，眼看手无寸铁，将束手就擒。忽地一阵枪弹，撂倒十数俄兵，残余几个俄兵大为惊慌，回身要逃，却被大队华军骑兵堵住后路，尽数就戮。
郑虹仔细看去，及时赶来救援的乃是师部的骑兵侦察营，那营长王涛此时收了左轮枪，策马过来敬礼。郑虹夸赞他两声，便要他派人为中弹跌落地上的赵民河裹伤。王涛唤过两名卫生员，分别为赵民河与郑虹包扎伤口，又报告道：“31旅的91团已经在师部布置好防御，92团已赶去保护炮兵阵地，93团正在赶来，师长不必担心，且先随我等返回师部。”
郑虹点头道：“就如你所言，要照顾好赵参谋长。”
那边赵民河听到，回他一声：“郑师长，我没事，这就上马。”
“那我就放心了，我们现在就回师部，再做打算吧。”
“没问题。”
一行人快马加鞭，奔到师部，31旅旅长潘旋准将马上迎过来，先谢罪一番，郑虹让他不必在意，便先问他31旅情况。
“敌大队骑兵刚刚向师部发动冲击，已被91团的步兵和旅属炮兵击退，重炮阵地那边有92团防卫，想必也无大碍，93团正在赶来，应该马上就到。”
说话间，数颗炮弹在师部帐篷附近炸开，想必是骑兵用的轻炮，没有造成多大破坏。郑虹立即出帐观望，看到南边大股俄军骑兵正在编列作战队形，回头对潘旅长道：“看来敌军骑兵还要冲过来，顶得住吗？”
“请放心吧，我都布置好了，来多少死多少。”
“但愿如此。”
郑虹放下望远镜，却见赵民河已裹好伤口，走近过来，心中愧疚，摘下军帽，低头向他谢罪道：“参谋长，我无能，刚刚还打包票说没问题，可是眼睁睁就看着32旅被打垮了……”
赵民河耷拉着左臂，摇头宽慰他道：“这不是你的问题，主要是军部没有把形势弄清楚，另外，俄军竟然能投入如此多的兵力来发动进攻，说明了一个问题。”
郑虹抬起头，疑惑地“哦”了一声。
“俄军第5师要守住绥芬河东岸，其对面有日军的第2师团，由于战线长达数十公里，第5师不可能分出身来加入双城子方面的进攻作战。根据事先的情报，俄军也没有其他野战预备队。这样说来，俄军能投入这么多兵力来进攻这边，一定是把新沙赫京斯基的第3师调了过来。”
“可是13师外加33旅不是正在进攻新沙赫京斯基吗？”
赵民河一拳打在帐篷的支杆上：“我们中了敌人的金蝉脱壳之计了。第3师一定是连夜秘密撤到双城子要塞，天亮后立即投入进攻作战，而留在新沙赫京斯基的不过是少量后卫兵力而已。”
郑虹咽了口唾沫，低声道：“那么，现在该怎么办？32旅可能已经陷入崩溃状态，如果重炮阵地又被敌军扫荡的话，以31旅的兵力还是不足以抵挡敌军3个师的进攻哪。”
“快向军部发电，告诉他们，敌军第3师已在双城子，请将主力部队转来双城子支援11师……算了，我来拟电文好了。”
郑虹点点头：“由赵参谋长来告诉陈司令官的话，再好不过了。”
当赵民河的求援电送至陈星云的办公桌前时，陈星云正在看13师师部发来的电文，上面尽是我军进攻顺利，敌军不堪一击，纷纷弃阵逃散之类的辞句。
看到副官送来电文，陈星云问道：“谁发来的。”
“11师师部发来的，署名是第3军参谋长赵。”
陈星云若有所思地点点头，把电文取过来，只见上面写着：“第3军司令官陈鉴，前11师已发出求援电报，未获答复，不知为何，今32旅阵线已被俄军突破，11师师部已成前线，且发现当面之敌番号中含有远东第3师，可推测新沙赫京斯基已实乃空城，无须重兵围攻，请即调可快速运动之部队，赶来支援11师，形势危切，险象环生，稍若拖延，恐成大祸！”
陈星云皱眉自言道：“真是如此吗？恐怕是敌军的诡计也不说不定，11师不会差劲到一击即溃吧，先派飞机去看看好了，还是先拿下新沙赫京斯基比较稳妥些……”
这么想着，陈星云立即让参谋拟了一份命令，让野战军直属航空浮空集群派出“所有可携带武器的飞行器”到双城子一带，查明战场状况，并支援地面作战。
回复赵民河的电文则是：“第3军参谋长赵鉴，军司令部正派出飞行部队前往支援并查明状况，现新沙赫京斯基方面战事已开，临时于战线上调拨部队甚为不便，拟派出预备34师之102旅前往支援，3到4小时后该部即可抵达，若状况实在危急，司令部可再做打算，请协助11师郑师长指挥部队就地防御……”
一看到这回复电文，赵民河大怒，将电文掷于地上，恨恨道：“好个陈宇晴，完全不把我的话当回事，罢了罢了，今天我便战死此地，以谢武威公知遇之恩！”
郑虹于旁劝道：“长官请息怒，司令官也没说不派出援军，飞行部队的话很快就能抵达，而我手中尚有三个团可用，抵挡一阵应不成问题，必可保长官无恙。”
赵民河吐口气，愤愤道：“几架破飞机，有何用处！”
这时前面有参谋官报告，敌军骑兵已冲击过来，郑虹忙趋前观望，果见大股俄军骑兵如潮水般涌来，却当头中了一阵炮火，烟火爆裂，骨肉飞离，俄军队形稍乱，却仍不顾一切向前猛冲。
“的确勇猛异常，可惜这等时代，骑兵正面冲击设防阵地已是无用。”
赵民河评道，虽然受了伤，又被陈星云的电文激怒，可一面对到实际问题，他还是能保持清醒的头脑。
在距华军阵地1000到200码的距离上，俄军骑兵被华军数十挺轻重机枪如割麦般一茬茬扫倒，在后担负火力支援任务的骑兵炮兵和机枪队也被华军准确的迫击炮火力打得一塌糊涂，攻击彻底失败，俄军遗尸千余，参与冲击的骑兵无一逃回。
清醒过来的俄军开始将轻炮兵阵地向前移动，并将重炮火力向前延伸，40公斤的152毫米重炮弹开始频频落到华军阵地上。而华军的重炮也没有闲着，在校射气球和飞艇引导下，数十门150和105毫米大炮集中起来猛轰脱离了坚固阵地的俄军轻炮兵，轻榴弹炮和野战炮则向接近的俄军步兵猛烈开火，挫败了俄军第一攻击波进一步扩大战果的企图，俄军第一攻击波的残部被迫退到有掩护的地带，等待后援。华军32旅的残余部队乘机脱离了与敌人的接触，分批撤出阵地，向师部和重炮阵地一带集结，除94团已被重创，基本失去战斗力外，32旅的另外两个团尚有半数以上的连队可以正常执行作战任务，但该旅已丧失了大部分的旅属火炮和半数左右的团属火炮。
12时30分左右，31旅的93团赶到师部，郑虹命该团隐蔽集结在91团阵地后的树林中，作为反击用的预备队。郑虹刚下完命令，便听得空中嗡嗡作响，原来飞行部队已然抵达，密密地一团，大约二十来架。
“把老底全甩出来了呀，可以嘛。”
郑虹望天叹道。
第3野战军配属的航空浮空集群编有38架飞机和8艘飞艇，包括10架fjz-2 “旋风”单座侦察机，10架fjz-3 “沧风”单座侦察机，10架fjz-4 “火风”双座侦察机，4架fjzl-5 “大风”双座侦察机和4架fjqh-1j “晴风j”侦察校射机，侦察飞艇和校射飞艇各4艘。开战以来，已有2架“旋风”和1架“火风”因事故坠毁。21日早上，已派出了大部分可用的飞机去支援新沙赫京斯基方面的作战，这些飞机刚刚降落，就接到命令要转去双城子方面支援作战。在集群编配的飞机中，只有双座的“火风”机有后射机枪架，并有可装16枚手榴弹的专用弹架，其余飞机原本并没有任何武装，可是在实际运用中，飞行部队却在“旋风”和“沧风”机上装配了自制的手榴弹挂架，使这两种单座机也拥有了对地面暴露敌军的攻击能力，另外，4架“大风”双座侦察联络机也被擅自安上机枪和手榴弹挂架，以执行对地支援任务。当天12时左右抵达双城子附近空域的华军飞行部队包括8架“火风”、6架“沧风”、4架“大风”和4架“旋风”，此时正值俄军第2攻击波冒着华军炮火，合同第一攻击波残部向华军仓促设立的第二防线挺进，第3攻击波也刚刚进入出发阵地，准备随时跟进支援。华军飞机当然没有袖手旁观，配备有机枪的“火风”和“大风”陆续向前进中的俄军散兵线俯冲，拉起时由后座观察员投下手榴弹，并以机枪向敌扫射，单座的“沧风”和“旋风”没有机枪，只能单纯以手榴弹攻击。飞行部队的攻击严重挫伤了俄军的士气，俄军官兵见到飞机冲来纷纷卧倒，但这并不妨碍飞机上的机枪发挥效力，俄兵发现在开阔地上卧倒仍然会被从天而降的子弹打中，于是开始寻找飞机“看”不到的树林，但战场上几经炮火洗劫，几乎已不存在什么可以躲避飞机攻击的树林，部分绝望的俄兵不顾军官的拦阻，纷纷向后溃散。
郑虹远远望见这一幕，兴奋地叫起来：“参谋长，敌人的阵线动摇了！”
赵民河在旁看得清楚，心想自己竟低估了飞机的作用，点头道：“我看到了，趁这时候，派预备队上吧，但不能只派一个团，把91团的阵地留给32旅的残余部队，让91团和93团一起从右边插过去，把原来的阵地夺回来。重炮兵要对敌军出发阵地实施拦阻射击，阻止敌军投入预备队，野战平射炮要向前推进，尽可能在近距离上强击敌阵地，轻榴弹炮集中轰击移动中的敌军步兵，尽可能多地杀伤敌有生力量……”
“是！我马上就去布置。”
“记住，夺回阵地就好，不要追太远。”
“明白！”
在重炮的咆哮声中，31旅的91、93团冲出阵地，向已经发生动摇的俄军进攻部队发起反击，华军的反攻并没有向俄军那样展开成宽大的散兵线推进，而是以机枪、迫击炮为中心，散兵纵队借助掩蔽地形一段一段跃进的火力机动，每次跃进三四百码，然后停下来展开火力攻击，压制敌方火力后再继续推进。华军的75毫米野战平射炮则随同部队推进，以强力的近迫火力猛击部分躲进战壕中的俄步兵，华军榴弹炮兵的凶狠火力则限制了俄军各部队的机动，使其无法相互支援，重炮兵在俄军出发阵地前打出一道密织的火墙，使敌担任第3攻击波兼预备队的两个团无法向前支援。由着炮兵和飞机的支援，31旅的两个团集中向敌阵线的南段发起突进，那里的俄军由远东第6师师长纳英杰少将指挥，名义上包含3个步兵团，实际上已在先前的进攻中被严重削弱，而且跟随步兵推进的三个轻炮兵连在移动过程中全被华军重炮摧毁，此外俄军步兵还严重缺乏弹药。在战线最南端的远东第22团遭到华军91团猛攻，伤亡惨重，被逐出了阵地，91团随后分兵往北支援93团作战，将士气衰落的俄军远东21和23团一举击退，其中21团丢弃了所有的机枪，因为“……没有子弹，毫无用处……”
此时，俄军左翼已遭突破，但华军已没有预备队可用，难以扩张战果，反而遭到俄军战线中段由远东第4师师长德米特列夫斯基少将指挥的3个步兵团（第14、15和16团）的压击，纳英杰少将的部队在退却一阵后，又迅速反扑回来，华军91、93团面临着敌人六个团的夹击。这时在俄军战线北段，由远东第3师师长赫沃斯托夫少将指挥的两个团（第9和第11团）正从侧面攻击华军的重炮阵地，并企图迂回到华军11师师部之后，11师师长郑虹少将被迫将剩下的大部分兵力用来抵抗俄军远东第3师的进攻，无暇顾及91和93团。
擅离岗位、在前线游荡的第3野战军参谋长赵民河中将这时有点急了：“这样下去91和93团很可能被吃掉，赶快撤回来！敌人太过坚韧，我军暂时兵力不足，反击太勉强了，先守住吧！”
郑虹忙着调遣部队去防卫重炮阵地，好不容易喘口气，又被责令撤回攻击部队，不由得沮丧起来，有气无力地唤来传令兵，准备下命令。
忽然一名骑兵在师部帐篷前勒住马，问谁是师长，郑虹叫一声“我就是”，将那骑兵唤了过来，原来是骑兵第五旅第13团派来的联络官。
据联络官所言，骑兵13团已奉军部之命赶到此处之西二里外，随时可供调遣。
郑虹心中一喜，即叫那传令兵把他们团长叫来，那团长到后，便如此交代一番，又将师属骑兵侦察营交给他指挥，团长欣然领命，率部杀将出去，却不正面突进敌阵，乃从91团现驻阵地之后绕出，穿过一片树林，向俄军整个战线最南端上的步兵22团阵线之侧翼发起冲击。只见2000名骑兵分成三层展开，呐喊冲锋，声势骇人。俄军22团先前已被华军步兵91团打退一次，兵力薄弱，士气更衰，忽然又被大队骑兵从侧面冲杀，自然抵抗不住，大举溃退起来，被华军骑兵以马刀砍杀无算。骑兵13团即破敌22团阵地，又马不停蹄绕向俄军21团之后，一举击溃21团，俘获远东第6师师长纳英杰少将及其手下旅长巴拉耶夫少将。
华军91团适时杀出阵地，与骑兵13团相配合，向当面的俄军23团发动突击，打垮该团后，即向俄军远东第4师背后迂回。
远东第4师师长德米特列夫斯基少将及时发现了华军的异常动作，下令所属3个步兵团立即后撤，并派出了配属的第24骑兵团向华军冲击以掩护撤退，俄军骑兵猛冲华军骑兵，双方混战一场，华军步兵又赶来助战，俄军24骑兵团自团长以下800余人几乎全部覆没，非战死即被俘，竟无人逃窜（实际上是无可逃窜）。俄军骑兵的自杀性冲击使第4师得以较为顺利地撤出战场，虽然在撤退过程中，该师被重炮猛击，损失不小，师长德米特列夫斯基少将亦受重伤，然而毕竟各团并未崩溃，建制单位基本保存。
第4师既已撤退，正在战线北段猛攻华军重炮阵地的第3师之第9、11团受到华军两面压迫，只好撤退，华军未予追击。当日双城子方面战斗就此停熄，时为下午5点钟，一小时后，预备步兵34师之102旅赶到，替下了已失去攻击力的32旅，改隶11师编成内。随后，33旅亦于当日黄昏赶回，返归11师指挥，郑虹少将手中总算有了3个可用之旅。
当日新沙赫京斯基方面的战斗乏善可陈，华军13师的3个旅在两百门大炮猛轰2小时后，小心翼翼地突入俄军阵地，只被俄军少量后卫部队阻拦，一阵交火后，俄兵立即遁走，华军大队不明究竟，反而又召唤炮火轰炸，结果打打停停，迟至16时才告完全占领新沙赫京斯基，毙敌246名，俘敌217名，付出的代价是35人阵亡和87人负伤，其中三分之一的伤亡还是由于己方火力误炸造成的。负责切断新沙赫京斯基与双城子之间联系的33旅在作战过程中，阵亡44人，伤126人，毙敌129人，俘敌71人。
当日双方的鏖战焦点在双城子方面，华军11师和俄军的3个师都受到了不同程度的损伤，华军11师的32旅受创最重，全旅当日参战的8000人中阵亡1291名，伤2757名，失踪615名，也就是说，损失了半数以上人员（4663名），无法再实施进攻作战，不得不撤回后方地域休整。33旅当日有大约8500人参战，阵亡638名，伤1957名，失踪278名，大约三分之一的人员损失（2873名），勉强可留在前线作为守备部队。师部、师属骑炮兵方面也有不少损失，合计阵亡87名，伤215名。骑兵13团是为当日战斗中最为关键的力量，该团从敌军侧面发起的冲击直接促成已将战斗力发挥到临界点的俄军第6师进攻部队崩溃，随后引发了俄军其余部队的撤退，但该团的损失亦不小，参战的大约1600名官兵中阵亡287名，伤512名，损失近半，战斗结束后亦退回后方地域接受整补。此外，还损失了34门团以上火炮（被俘、被毁）。
根据战后公布的资料，当日俄军第6师遭到了“无法承受”的损失，这个原本作为远东第一集团军总预备队的师经过七小时战斗后，直接参战的3个步兵团均伤亡过半，3个炮兵连被彻底摧毁，合计阵亡2251名，伤4109名，失踪863名（多为被俘），人员损失达到7223人，而这个师的总兵力不过18000人。俄军第4师由于骑兵24团的自杀性冲击的掩护而得以顺利退回阵地，但在整个作战过程中仍然伤亡惨重，合计阵亡1297名，伤2874名，失踪901名，人员损失达5072人。俄军第3师由于处于助攻位置上，且只派出两个步兵团直接参战，损失较小，但也有506人阵亡，1334人负伤，112人失踪，合计损失1952人。骑兵方面的损失更为惨重，参战的5个骑兵团中，3个团全灭，1个团重创，共有3128人阵亡和失踪。俄军炮兵、工兵和要塞驻防部队也在华军猛烈的炮击中遭受了损失，181人阵亡，349人负伤。由于华军拥有空中校射手段的重炮的精准打击，俄军损失了不少火炮，仅全灭的炮兵连就有4个，共有67门火炮被打坏或击毁。
相较之下，21日双城子战斗中，华军人员总共损失8673名，俄军则损失17905名，就物质方面而言，俄军损失较重，但俄军成功施展金蝉脱壳、声东击西的连环计策，在局部集中优势兵力对华军发动反击，予华军沉重打击，打乱了华军第3野战军的总体计划，延缓了第3野战军对双城子要塞的攻击。
“……从精神意义上来说，这场战斗凸显了俄国军队的决心和勇气，鼓舞了军民的战斗意志，改善了我军的内部形势……”
——斯特塞尔，《司令官笔记》。