这一天的进攻中，尽管有通讯切断造成误炸等种种的不顺利，日军步兵部队还是拼死向前推进了两公里，距离河岸也就是二三公里了。东北军在日军空军、炮兵和步兵全面总攻下，全线向后撤退。小松原中将命令步兵各部队，在日落前巩固已战领的阵地；炮群相应向前推进，掩护步兵第二天拂晓向河岸攻击。第二天早8时，日军又全线猛攻，目标是桑叶河浮桥。日军的飞机和炮群一齐压上桥头，炮火来势之猛，超过前一日。尽管东北军远射程火炮不断地轰击日军重炮阵地，但是烟勇少将的炮群仍然将炮火集中在两河汇流处一带，炮弹有如急风聚雨，河上象开锅下饺子，无数水柱腾空而起。终于，浮桥被击中，桥板飞向高空，在黑烟裹胁下又纷纷下落。桥头的中国守军和高射炮部队，忙向西岸的堪布拉尔特退去。这时约有一个大队的日军步兵，顺势冲过浮桥，进入堪布拉尔特山脚，企图上山夺取台地上的东北军大炮。一小部分敢死队携带着反坦克手雷和炸药包，则一过河便向北插去，以分散东北军注意力。这时西伯利亚驻屯军前线部队的少壮军官们，认为空中和地面的战斗已经得手，准备继续扩大战果，实现最初制定的围歼桑叶河东岸全部中**队、渡过桑叶河，进到西岸消灭东北军预备队和夺取并扩大桑叶河西岸的登陆场以保障之后行动的战役目标。
然而，出乎意料的是，过河进攻堪布拉尔特高地的部队刚冲到高地半坡上，从堪布拉尔特东、西山口及平坦的山顶上，涌出数百辆坦克、步兵战车和装甲车，布满了山野。这是姜登选少将的第11坦克旅和莫德声上校的第8机械化步兵旅。坦克车上的火炮和步兵战车装甲车上的机关炮，喷吐着榴霰弹和烧夷弹哗哗地压过来，机枪弹如同下雨似地泼向冲锋的日军。日军各个自杀攻击班的“肉弹”冲上来和中国战车同归于尽。但是中国坦克、步兵战车和装甲车并不后退，而是形成包围圈，将日军大队往桑叶河上赶，后退的东北军步兵和东北军骑兵也从两翼包抄过来。姜登选少将的先导坦克，率领着坦克群向河岸冲去。这时，三名“肉弹”冲上来，两名立刻被坦克上的机枪扫射打死，另一名“肉弹”滚出射线，将地雷拉响，一个箭步靠近了姜登选少将的坦克，只见火光一闪，“轰轰”两声炸响，坦克不动了，浓烟烈火团裹着炸毁的坦克。姜登选少将和全体坦克乘员壮烈牺牲。
尽管日军敢死队炸毁中国坦克和装甲车多辆，也阻挡不住东北军机械化部队的反冲锋。西伯利亚驻屯军潮水般地涌回浮桥，争先恐后地退回东岸，中国坦克和装甲车尾追日军压过浮桥。东岸的日军后续部队措手不及，在西岸的退兵波浪中稳不住阵脚，全线被迫后退。于是西岸的东北军大炮又延伸射击，炮火集中在日军重炮阵地上，而把溃退的步兵留给坦克、步兵战车和装甲车去驱赶碾压。
日军阵地全线崩溃，兵败如山倒。西伯利亚驻屯军司令部无奈地下达了“立即停止进攻，占领东岸战线，构筑阵地，准备持久战”的命令。
日军总攻失败后，被迫退回桑叶河东岸构筑防御设施，组织防御，东北军则乘日军立足末稳，发动了全面反攻。
为了大反攻，中国最高统帅部将第37装甲军扩编成第l集团军，组成了诸兵种合成的大兵团，钟离卫被任命为第1集团军司令员。
1942年11月20日，东北军队集中兵员157000人，坦克1498辆、步兵战车和装甲车1385辆、大炮和迫击炮1542门、飞机1515架，发起了对日军的反攻战役。
钟离卫把他的全部进攻兵力分成了3个集群，从中央、南路和北路三个方面向日军阵地猛攻。反攻的总兵力为175个步兵营，160个骑兵营。
日军在中线、南线和北线集结的防御兵力有75000人，机枪1283挺，大炮300门，飞机310架。
11月20清晨5时46分，东北军首先对日军第6军团的高射炮阵地进行猛烈地炮击，接着以750架轰炸机和100架战斗机向第6军团的前沿阵地轰炸扫射。
8点15分，东北军各种口径的火炮和迫击炮向日军阵地轰击。
8点30分，中国空军第二次向日军前沿阵地轰炸扫射。使日军绵延40公里的前沿阵地全部笼罩在浓烈的烟火之中。
日军在东北军的飞机和大炮的轮番急袭之下，被完全压制住了。在一个半小时内，炮火无力进行还击，观测所、通讯联系及前沿浅近炮兵阵地均被摧毁。
8点45分，空中升起了红色信号弹，东北军装甲部队在炮火掩护下，渡过桑叶河，开始全线总攻。从第23师团长小松原中将的司令部直到前沿各高地的据点式阵地都受到东北军的猛烈攻击。在日本步兵第64联队及第72联队等部队防守的中线阵地——伦巴布尔高地，从早晨6点30分开始遭到中国飞机的猛烈轰炸。炸弹的爆炸烟雾成了半圆形，阵地上什么也看不见了。空袭50分钟后，数架中国飞机在野战重炮第6联队的阵地上扫射。9时40分，东北军39架4引擎的“快刀”轰炸机由“金丝燕”战斗机群保护着又一次飞来空袭。其中有9架轰炸机飞到野战重炮第l联队阵地上投弹，重炮第l大队的放列阵地被弹片和烟雾覆盖住了。这时，日军飞机飞来拦截东北军尚未飞走的18架轰炸机，东北军的“金丝燕”战斗机立刻迎上来开火，6架日本“零”式战斗机被击伤，沿低空飞落在草地上。
从早晨中国飞机开始轰炸起，东北军炮兵也开始炮轰，成排的炮弹在第一线阵地上爆炸着。继而，又进行纵深炮击，日军的视线完全被遮断，既无招架之功，更无还手之力，只有挨打。
日军北线的色尔安图拉高地上，井置联队的部队在经受了中国飞机轰炸扫射和炮击后；没等清醒过来，东北军50辆坦克、10门自行火炮和600名蒙古骑兵从巴兰岗方向方攻来，东北军炮兵一个团也从西北方向来攻。这时，不但坦克炮、野炮的炮弹不断落在阵地上，而且东北军后方的重炮弹也如炸雷轰顶，成吨地倾泻在日军的阵地上，每分钟大约落下200发炮弹，地动山摇，掩体里的壁土都震松了，战壕被炸平，整个阵地已没有任何隐蔽的地方。日军只能来回匍匐前进后退或滚爬，以躲避炮弹，死伤不断增加。
到了12时，东北军炮击中断了一会儿，日军刚觉得缓了一口气，突然，东北军坦克从北方突入阵地，混战开始了，燃烧瓶、反坦克地雷、反坦克炮和手榴弹全上去了。这时，守卫色尔安图拉高地据点的井置中佐的兵力是骑兵200名、步兵600名、野炮12名，速射炮4门、重装甲车2辆、13毫米机关炮5门。战到日落，东北军才渐渐停止攻击。
南线的海山高地一带，东北军的炮击一整天都没有间断。长谷部的各大队之间的联系被切断，装备精良的木尾川大队同时受到空袭和十几辆坦克的火炮的袭击，西岸的一个可中国炮兵群也集中轰击木尾川大队和石川混成旅团的阵地。近50辆坦克、步兵战车和装甲车迅猛地从南方迂回过来，直插到长谷部支队防守的整个海山高地地区的后方。日本步兵第71联队防守的744、757两个高地的正面，东北军于19日夜里，在桑叶河上架了4座军用浮桥，近200坦克、装甲车和步兵1000余名，冲到第71联队阵前。同时，中国飞机在空中不断投弹扫射，第7l联队立即陷于苦战，伤亡惨重。
从东北军第一天的攻势来看，北路兵团进攻巴兰岗，击溃了第1警备军团的3个骑兵团，包围了日军固守的色尔安图拉高地，但是遇到井置联队的顽强抵抗；南路兵团击溃了日军石川混成旅团，迂回到额尔古特纳附近，占领了780高地，完成对海山高地的包围；中央兵团进展缓慢，各师、旅只前进了500至1500米，东北军骑兵第6、第8师在打垮了第2警备军团和石川混成旅团后也停下了脚步。
为了挽回被动局面，日军做出垂死挣扎。11月21日6时，日军先后出动各种作战飞机113架，对中国空军发动反击。
但是，自11月20日东北军发动了强大的空中和地面攻势后，中国政府空军对战场各个据点和后方，共轰炸256架次，投下炸弹超过86吨。强大的中国空军机群在数量上是日本的一倍半以上，质量上也较日本飞机优越，新的速度快火力强的机种，大批出现在空中。日本飞机的几次冲击波都遭到中国飞机的包围阻截，轰炸效果远非战争开始大规模的那一次明显，一点也看不到中国飞机受到沉重打击的迹象。
因此，从11月22日午后，第2飞行军团的飞机被迫转入支援地面部队的战斗上，但每次出动都遭到中国飞机集群编队的包围阻截。东北军甚至在靠近桑叶河西岸地区开辟了好几个野战机场，只要日本飞机飞临战场上空，中国飞机就起飞迎战，战场上的制空权牢牢地控制在东北军手里，日本空军黔驴技穷，日军地面部队失去空中的有力支援，同时受到来自空中的威胁，战斗陷入了极端的困境。
东北军发动地面攻势的第二天，战斗更加激烈。
北线的色尔安图拉高地，东北军遇到井置联队的顽强抵抗。这个高地是日军第23师团在10月1日占领后经过一个半月的经营，用钢骨水泥构筑了永久性据点式阵地，壕沟交错，居高临下。井置联队配备重装甲车72辆、机关炮36门，野炮24门、速射炮14门、骑步兵2000余人，还有后方重炮的支援。11月20日一整天，东北军反攻不下，钟离卫上将又从预备队中将第9装甲旅和第212伞兵旅派往前线。第9装甲旅大迂回从巴兰岗线到色尔安图拉高地东方，然后向日军中央阵地后方突击，以便与从南方进攻的第8装甲旅在伦巴布尔高地后方会师，完成对日军中央高地的包围。伞兵旅则空投到日军后方占领后勤基地，断绝前线日军的补给。同时，重炮部队加强了对色尔安图拉高地的轰击，80公斤重的炮弹连连命中，日军钢筋水泥浇筑的掩体陆续被炸毁，井置的战斗兵员不得不转移到野战壕沟里。
到了下午，色尔安图拉高地上，东北军炮兵以每分钟１２发的速度炮击了整个高地工事。在炮弹剧烈爆炸的震憾下，立式壕变成了卧式壕，最后全部被炸平，所有掩体翻了个身，散兵掩体完全不存在了。从中午起，日军的医护所就中了炮弹，担架被炸飞，而急切又找不着备用品，收容伤员已不可能，也运不出去，医护所挤满了重伤员。这时，东北军的火焰喷射坦克突入到阵地纵深，能够隐藏人的长有灌木柳条的沙沟，在坦克的火焰喷射下，全都燃起了熊熊烈火，坦克后面跟进的步兵用冲锋枪和机枪扫射着从灌木丛中逃出的日本狙击兵。日军阵地上几乎全是伤员了，人马不时被炸飞上天空。但是井置部队死战不退，敌我已搅在一起，步兵们混战着，爆炸的浓烟覆盖着整个色尔安图拉高地。
南线古鲁斯图河以南的日本第23师团步兵第71联队的4500人在森田彻大佐的指挥下与东北军坦克苦战。支援步兵的野炮兵第13联队第1大队被东北军坦克和装甲车包围碾压，第10中队全员被炮火轰死或坦克碾死，其他中队也大部伤亡，损失“38”式75毫米野炮3０门。午前l０时，东北军坦克8辆、步兵200人突入日军第7工联队固守的额尔古特纳附近的733高地。随后95辆坦克、自行火炮和牵引炮涌入突破口，掉转炮口向第71联队侧背轰击。午后2时，又有30辆坦克攻入之前的联队本部和粮秣集结所。同时，这个坦克群在第71联队防守范围内左冲右突，将第71联队切成数块。然后，以十来辆坦克为单位成波浪冲向71联队主力集结处，而不使用步兵，因为这些坦克使用柴油驱动，装甲也厚，不怕步兵投掷的燃烧瓶，更不怕普通地雷。因此，步兵第71联队战况恶化，一个一个沙丘小高地被东北军步步占领。
中央阵地上，自从步兵第72联队抽到桑叶河一带集结，阵地上只剩下步兵第64联队防守，后方的野战重炮群也遭到东北军50辆坦克和装甲车的攻击，正用自卫山炮抵抗。东北军的坦克和装甲车夹在日军炮兵和步兵中间的地域内，敌我双方犬牙交错，重炮群把全部自卫山炮摆在左翼与中国战车交战，重炮则支援山县大佐和井置中佐的阵地。傍晚，东北军第9机械化步兵旅一部，向诺鲁呼克图东南进击，威胁着第23师团司令部，小松原中将忙命令第7师团第26联队到诺鲁呼克图一带设防堵截。
东北军第二天攻势的战果，已完成对日军第23师团及其他部队的分割包围。第三天东北军对被围之敌开始“会餐”。
北线的色尔安图拉地被东北军占领，井置率领仅剩的300人突围。往南有东北军重兵，与第23师团司令部很难汇合，于是向东奔至国境线内的辛巴克图，与第5警备师团司令部汇集在一起。井置的300人，人人带伤，几天缺吃少喝，为了逃命连武器也扔掉了，像一群游魂，浪游到了辛巴克图日军陈地上。警备司令部的军官连忙招持这批日军，供给大批面包和水。但是由于没有接到撤退命令而擅自脱离战场，井置担心受到军法审判，于当夜用手枪自杀身亡。
中央噶尔特克尔高地的日军步兵第64联队于11月29日被东北军全歼，联队长山县武光大佐烧掉军旗，然后剖腹自杀。
日本步兵第7l联队在森彻大佐炸死后，全联队被包围全歼，代理联队长东宗中佐烧掉军旗后，和掌旗官怀抱地雷冲向东北军坦克，两人与坦克同归于尽。