苏军针对中东路事件，于8月6日迅速成立了苏联红旗特别远东集团军，总兵力约四万余人，下属兵力3个步兵师、1个骑兵师，一个蒙古骑兵营，特别远东军装备精良，有大量飞机、坦克、重炮、战舰等技术兵器，还装备了当时苏联最新型的MC-18坦克（MC-1被称为“俄国版雷诺FT-17”，是苏联第一种批量生产的坦克，在苏联坦克发展史上有着极其重要的地位，1932年开始退役，苏联人把履带等行动装置拆掉，加些水泥木板掩护，被用于当作边境守备据点使用。张作霖的FT-17和苏联的MC-1都有部署在中东路前线，但交战情况不明），并不断得到支援，至少增加第21和第35师和若干内务部部队。可以肯定的是特别远东军兵力最高峰不少于8万人，海军方面负责支援的是阿穆尔河区舰队（阿穆尔河即俄语黑龙江），1929年，中东铁路事件前夕，阿穆尔河区舰队已有3个舰艇大队（浅水重炮舰、炮舰和装甲艇共14艘）、1个扫雷舰中队、1个航空队（14架飞机）和1个陆战营，战后阿穆尔河区舰队有63名官兵荣获红旗勋章。
特别远东军的司令员是瓦西里·康斯坦丁诺维奇·布柳赫尔元帅，也就是北伐军的军事总顾问加伦将军。他是苏联首批5位元帅之一，对东北情况和奉军情况非常熟悉，是北伐的战略总设计师，曾是蒋介石的首席军事顾问，蒋对他评价极高，即使在冷战高峰期（一九五七年）著成的反共名著《苏俄在中国》，加仑仍是唯一获得正面评价的苏联人，他回忆道：“这时候，留在汉口的苏俄军事顾问团团长布鲁辙，即嘉伦将军，离汉回俄时，仍经上海，特地来见我。这位嘉伦将军自民国十三年（一九二四年）来到中国以后，我认为他是俄国将领中最为杰出而最合情理的一位良友，还有最难得的一点就是他绝对没有布尔什维克的气味，所以我至今对他还是念念不忘。”至于苏军中的军官，至少有两位二战中的苏联元帅在此役中担任相当重要的角色，日后死守斯大林格勒而名扬一时的瓦西里·伊万诺维奇·崔可夫当时就在集团军参谋从事情报的收集和整理工作，直接对集团军司令官布柳赫尔负责，康斯坦丁·康斯坦丁诺维奇·罗科索夫斯基任库班骑兵第5旅旅长。
1929年的苏军，国内战争期间的将领都还在世。第一个五年计划刚刚开始，苏军并没有获得并熟练使用大量技术兵器，如飞机、重炮、坦克等。但是苏军当时的士气很高，政治工作作得很出色。
苏军在东线使用空军进行空袭，东线轰炸了绥芬河、穆棱两车站，西线的苏联远东红军进攻满洲里及扎贲诺尔，抢去机车，轰击车站。
7月20日，苏联在黑龙江上扣留中国海城号、宜兴号两艘轮船。21日—23日，苏联驻齐齐哈尔、哈尔滨、海拉尔、满洲里、黑河、绥芬河领事及海关职员和侨民经满洲里回国。至23日止，苏联人经满洲里回国者已达500余人，多半为妇女和儿童。23日，中东铁路500余名苏联员工呈请辞职，代局长范其光以其“无故辞职违则，妨碍路务”予以免职，至本日止苏联员工辞职或离职者593人。同时，苏联在乌苏里江和黑龙江扣留华轮，除航务局被扣5艘外，商船也有5艘被扣。沿江电报线亦被苏方割断。
7月28日，苏军步兵1个团、铁甲车3辆、炮4门，到十八里小站，割断通满洲里电线，勒令中国军警撤退。该站驻军1个排和4名警察，因寡不敌众，于晚7时撤退。29日，苏军炮击中国密山县当壁镇。
7月31日，苏军又出动20架飞机在中国军队上空盘旋侦察。
8月6日，中东铁路细鳞河站铁桥石墩被炸坏两个。此后，破坏铁路，炸毁隧洞等事时有发生。
8月8日，苏军百余名携大炮2门、机枪3挺，在鸥浦县街南门外与中国陆军交战，互有伤亡。苏机5架在绥芬河市上空盘旋，鸣“空炮”200余响，在东山陆军防所附近及国界三道洞子各投弹1枚，后又来苏机27架在中国领空飞行数周而去。午后4时左右，苏军百余人占领满洲里红山嘴子。夜间进至三卡（即额尔德尼托罗辉卡伦）。
8月9日，苏军40余人在距萝北县30里之古站设卡两道。遮断交通，掳劫行人。同日苏军300余名及军舰2艘占据距同江90里之胡家柈厂。
8月11日，密山县当壁镇烧商东源茂，请来民团40名，连同所雇“护勇”共有枪80余支。当晚与苏联骑兵400余名交战，被苏军打败，赶出商号。
8月12日，北兆兴镇三间房、绥滨中兴镇、李家油坊等处被苏军2000余人分头占领。苏军40余人乘小船8只到乌云县柳河屯登陆，打死保卫团多人，返回彼岸。
8月13日，苏方用大炮攻击鸥浦县城。14日早县城失守。文书档案被焚毁，县政府迁至呼玛县属金山镇办公。
8月15日，苏军炮轰东宁，激战一夜未曾攻入，次日黎明苏军撤退，同时向扎贲诺尔东北军梁忠甲部43团驻地派出步兵百余名。
8月16日，苏军步兵两连、骑兵一连由苏境阿巴该图向扎兰诺尔中国阵地射击，双方战斗2小时，互有伤亡。午后2时30分，苏军步、骑、炮约一师兵力，由阿巴该图越境，向扎兰诺尔站进攻，炮击东北军阵地，双方激战5小时，苏军始退。根据当时胪膑县县长齐肇豫电称：“俄军此次越境，据闻意在破坏扎站铁桥、断绝交通”。
8月17日，中国国民政府发表对苏联交战宣言。驻满洲里梁忠甲旅长报告战况称，所属三十八团、四十三团午后与来犯苏军步、骑兵一个团作战4小时，现仍处于对峙中。苏军在阿巴该图附近有一个师以上兵力，并有特种部队。苏军袭击海拉尔交涉员所属的七卡、八卡，双方交战一昼夜，中国军队败退。
8月18日晚10点30分，苏军又开始向扎贲诺尔东北军第43团2、3营阵地攻击。
8月19日下午一时，扎贲诺尔四十三团阵地对面苏军又增兵约六、七百名。五时苏军又出动飞机五架由阿巴该图向十八里小站飞来，8月19日，苏军攻陷绥滨县城。
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。
8月31日，苏军大船炮轰黑河察哈彦等三卡伦，卡房被焚毁。
8月25日，苏军步骑兵四百余名，在扎贲诺尔驻军四十三团阵地右前沿约千米处构筑工事。
9月4日，苏军以异常猛烈的火力向驻扎兰诺尔的四十三团、三十八团阵地右翼轰击。
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。晚8时30分，苏军撤退。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16日夜，苏军百余名袭击胪膑县库克多博卡哨卡，焚毁卡房。
9月28日，苏军200余人攻打毕拉尔河（即十一卡），打死卡官吕得祥；打死打伤卡兵及男女百姓百余人。室韦县长及九卡、十卡亦先后退至河坞以南。
苏军初期使用至多不超过一个团的兵力，对东北军进行袭扰，企图迫使东北军做出让步，东北军则针锋相对，在中东铁路中大量起用反苏的流亡白俄，并召集白俄人入伍。早年张宗昌所率领的直奉联军就有五六千名白俄军人，这些白俄多是职业军人出身，军事素质好，虽然纪律较差，但战斗力给东北军留下很深的印象，故此东北军企图以俄制俄，不料更加激怒了苏军。
苏军经过两个多月的时间，通过西伯利亚大铁路集结了超过八万人以上的强大兵力，后勤补给也没有问题，而同时奉苏谈判完全破裂，9月18日苏联政府向各国大使宣布，关于中东铁路问题，苏方始终主张和平解决，而中国态度虚伪，毫无诚意。认为今后之交涉无望，以前经过德国调停一切交涉断然中止。此后对于中俄国境惹起一切不祥事件之责任，苏概不承担，决定对东北军发起致命性的攻击，以促使东北当局回到谈判桌前。
东北军对此亦有了解，故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》。内称，“赤羌寇边，首在抗御，凡属国民或团体有为国牺牲效命疆场之志愿者，投为义勇兵、义勇军”。条例规定，名义上属个人者，定为****义勇兵，属于团体者定名为国民义勇军。
10月2日，苏军步兵千余人向满洲里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对峙数十日之多，后援不继，告急求援。
东北当局对于战争也早就开始准备。8月15日，张学良动员东北军约6万人，派王树常为防俄军第一军军长，任东路总指挥；胡毓坤为防俄军第二军军长，西路军总指挥。17日，张学良为增强边防力量，除已派丁超、梁忠甲两旅外，又命吉林黑龙江再各派两旅，全军已达10旅，约10万人。
防俄军第一军军长兼东路军总指挥王树常参谋长李端浩
东北陆军第四旅刘翼飞
东北路军第十二旅张廷枢
东北陆军第十九旅孙德荃
暂编骑兵第一师郑泽生
东北炮兵第二团黄永安
东北电信队王景元
防俄军第二军军长兼西路军总指挥胡毓坤参谋长刘忠干
东北陆军第五旅董英斌
东北陆军第十四旅徐永和
东北路军第二十四旅黄师岳
东北陆军骑兵第三旅张树森
东北陆军炮兵第五团张福山
东北陆军工兵第一营周葆全
东北陆军电信队王汝梅
前方总指挥东北陆军第十八旅旅长丁超
前方副指挥东北陆军第二十一旅旅长赵芷香
东北陆军第九旅李杜
东北海军副司令沈鸿烈
东北海军炮火总指挥张力声
东北江防舰队谢刚哲
海军陆战队李润清驻同江
海军陆战队尹祚乾驻同江
海军陆战队尹祖荫驻依兰
防俄预备军周濂
东北路军第十五旅梁忠甲
东北陆军第十七旅韩光第
黑龙江陆军步兵第一旅张殿九
满洲里警备司令穆春
长期以来，奉军占据东北，故战事不利时可退往东北，战事有利时可以出兵关内，故此勇敢精神不够。虽然在后来历次的整军经武中军事素质大大提高，但是仍然缺乏现代战争意识，不思进取。