蘇軍進入滿洲裏是11月20日早晨十點，隨即設立了總司令部和衛戍司令部，在滿洲裏車站設立了政治探訪局，局長為戈彼烏成員。蘇軍首先給予工人、農民麵粉和錢幣以便生活。然後將戰時民間被搶物資收集到一起，張貼布告，讓失主前來認領，並在發放物品時拍攝了照片作為宣傳材料。蘇軍設立的政治探訪局專門搜查流竄到滿洲裏的白黨和反對蘇聯政府的人。當時滿洲裏俄僑尼基金中學校長戈拉肖夫，房產業主會長果洛闊夫、教堂神甫伊茲沃裏斯等二百五十多人以及紮賁諾爾礦華俄職工約二百人均被逮捕，先後押解蘇境。同時在各機關職員中進行搜查，逮捕了警察署長和官兵九十多人，以及路警、巡警等五十多人也被逮捕押解蘇聯。市區實行了非常嚴格的秩序管理，頒布了軍事管製條例，街上行人隻能通行到夜晚十點。蘇軍占領後幾天，一些商店開始營業，蘇聯的盧布和中國的銀圓同時使用。教堂也開始禮拜，個別學校複課，還開放了幾個電影院，專門放映一些宣傳蘇聯社會製度的電影。至此，東北軍一線全麵崩潰。11月23日蘇機12架轟炸海拉爾。呼倫公安局等自海拉爾向博克圖站撤退。24日蘇軍攻占海拉爾。
對於滿洲裏之戰，蘇聯方麵也有一種記述：
“在後貝加爾地區，中國部隊的兵力將近16000人。可我軍隻有7632名戰士。布柳赫爾（加侖）決定對敵人采取各個擊破的方針。11月17日淩晨3時庫班騎兵第5旅從阿巴蓋圖伊鎮出發，步兵35師尾隨其後，越過河的冰麵，沿額爾古納河東岸向紮賁諾爾集群後方挺進。中午在該城以東10-12公裏處切斷鐵路，從後方進攻紮賁諾爾。切斷敵人從滿洲裏的退路。中國部隊的一個營為了避免被包圍，向騎兵旅側翼發起突擊。紅色騎兵以勇猛的衝鋒把敵人打的潰不成軍。第二天騎兵在步兵第8團的支援下再次進攻紮賁諾爾。爭奪紮賁諾爾的戰鬥持續了兩晝夜。敵人雖然完全被包圍，而且他們的技術又不如我們，但是還是進行了前所未見的抵抗。他們把工事修的非常堅固，以至野戰炮兵和榴彈炮兵都未能炸毀戰壕和掩蔽部的蓋板。經過兩晝夜戰鬥18日蘇聯軍隊終於打跨了敵人的頑抗，衝進占領了該市。
與此同時我軍其他部隊包圍了滿洲裏的中國部隊。向他們提出無條件投降的最後通牒。敵人決心防守，步兵第1旅、騎兵第3旅和一個炮兵營從嵯崗至紮賁諾爾方向增援。布柳赫爾命令立即發起總攻。11月20日清晨起戰鬥越來越激烈。敵人拚命企圖突圍。他們企圖在布裏亞特蒙古族騎兵營的陣地上突破。汗講諾夫從塔昌卡（一種蘇式馬車，蘇軍常常在上麵架設重機槍做為機動火力）上向進攻的中國士兵散兵線掃射。這隻是敵人的誘惑性突擊，敵人的主力企圖向南突圍。後貝加爾集群的所有炮兵和裝甲列車都參加了作戰，航空兵不斷從空中不斷從空中進行轟炸。由於傷亡慘重，中國部隊隻好縮回城裏，接著也就投降了。隻有少數殘敵逃進小山深處。
敵人第15、17旅被徹底擊敗。戰鬥結果：俘虜8000多人，打傷近1000人。俘虜中包括西北戰線長官（西路護路軍司令）梁忠甲將軍和他的司令部人員以及近250名軍官。敵人被擊斃1500人。我們繳獲了敵人所有的火炮、兩列裝甲列車和大批物資、武器和裝備。
我軍希望不再繼續流血戰鬥，號召敵軍步兵第1旅和騎兵第3旅的官兵放下武器投降。然而這項和平建議再次遭到了拒絕。蘇聯軍隊被迫繼續進攻。於11月23日占領嵯崗車站。四天以後占領了海拉爾城。”
根據蘇方資料，在這次戰鬥，蘇軍死亡143人，失蹤4人，受傷665人。而崔可夫在回憶錄認為蘇軍俘虜了張學良，實際張學良在中東路之役中一直呆在沈陽，崔可夫將梁忠甲當作張學良。
11月25日黑河市政籌備處令佛山縣停止辦公，辦理遷移事宜。12月9日，該縣商民遷至烏雲。11月26日黑龍江省政府和東北邊防軍司令官公署決定，從本日起在齊齊哈爾宣布戒嚴，並委任竇聯芳為臨時戒嚴司令，所有駐省軍警均歸該司令指揮。