Части Сводной бригады перешли в наступление в 12 часов дня. 5-й пехотный и 4-й кавалерийский полки шли с севера, батальон Особого Амурского полка и два танка — в центре, на сопку Июнь-Корань. 6-й пехотный полк под командованием А. Захарова атаковал белогвардейцев с юга.
Разгорелся ожесточенный бой.
Главный удар по волочаевским укреплениям наносил 6-й стрелковый полк. Корейская рота этого полка первая достигла проволоки, но огнем с вражеских бронепоездов была вся перебита. Пешая команда разведчиков Особого Амурского полка во главе с помощником командира полка Шимониным также достигла проволоки, но, потеряв 16 бойцов, в том числе и самого Шимонина, который был ранен, вынуждена была отойти. 6-я рота Особого Амурского полка в сопровождении двух старых танков «Рено» также двинулась на проволоку. По дороге один танк испортился, другой был подбит в ста метрах от проволоки снарядом вражеского бронепоезда. Водитель танка, выйдя из машины, хотел исправить повреждение, но был ранен. Когда белогвардейцы бросились к танку, водитель подорвал себя и мотор гранатой. Рота, потеряв половину состава, отошла и зарылась в снегу.
У бойцов не было ни ножниц, ни топоров, ни подрывных бомб и они были бессильны перед проволокой. К тому же бронепоезда Народно-революционной армии не могли их поддержать своим огнем: разрушенные мосты еще не были восстановлены, а артиллерия отстала. Поэтому вражеские бронепоезда могли безнаказанно двигаться по железной дороге и почти прямой наводкой расстреливать бойцов с фланга. Наступающая пехота, оказавшись без артиллерийской поддержки, попав под ураганный огонь вражеского бронепоезда, не смогла преодолеть проволочные заграждения.
К вечеру бой затих. В ночь на 11 февраля части Народно-революционной армии отошли на несколько сот шагов от проволочных заграждений и залегли в снегу цепями вокруг Волочаевки.
Воспользовавшись передышкой, санитарные команды переправляли раненых и обмороженных в тыл. В полуказарме № 3, в нескольких километрах от линии фронта, где находились главком, его полевой штаб и штаб Сводной бригады, отвели небольшую комнату для санитарной части. В ней разместили наиболее тяжело раненных и обмороженных. На сорок километров вокруг лежала белая снежная пустыня и только кое-где на ней чернели остатки сожженных белогвардейцами редких строений.
К ночи мороз усилился, поднялась буря, засыпая снегом лежащих перед Волочаевкой бойцов. Всю ночь и весь день 11 февраля народноармейцы лежали под открытым небом в снегу, не получая горячей пищи. Ели соленую кету и твердый, как камень, хлеб. С большим трудом удавалось отводить бойцов группами на один-два километра в тыл, к кострам. Но и там они не могли как следует согреться. Обуты и одеты были кто во что горазд. Многие носили кожаные ботинки, шинели, пиджаки и поддевки, лишь у некоторых были ичиги и валенки, телогрейки и полушубки. Для обогрева ног получали мешки, набитые сеном и соломой. Приспособление это, неудобное для ходьбы, все же спасало от обморожения. Переутомленные после огромного напряжения бойцы засыпали в снегу, несмотря на мороз. По приказу штаба фронта командиры ходили вдоль цепей и будили уснувших.
Несмотря на неудачу, бой 10 февраля под Волочаевкой позволил командованию Народно-революционной армии выявить сильные и слабые стороны врага. Было установлено, что укрепления Волочаевки можно обойти с юга. Весь день 11 февраля шла подготовка к решительному штурму.
К вечеру 11 февраля были починены железнодорожные мосты и пути. К линии фронта подошли бронепоезда № 8 и № 9. Командование фронта, подтянув некоторые части из резерва, усилило 6-й полк, на который ложилась главная задача. Командование группой было поручено командиру 6-го полка Захарову, а его помощник Малышенко возглавил 6-й полк.
К этому времени части Читинской бригады под командованием Томина, пройдя в мороз и буран около 30 километров по снежной целине, после ожесточенных боев заняли поселки Верхне-Спасское и Нижне-Спасское. Части белогвардейского генерала Никитина, прикрывавшие амурское направление, вынуждены были отступить. Троицкосавский кавалерийский полк, входивший в Читинскую бригаду, преследовал врага. В ночь на 12 февраля в обход Волочаевки с юга была направлена группа Гюльцгофа в составе 3-го батальона 6-го полка, пешей разведки 6-го и 3-го полков и эскадрона Амурского полка при двух орудиях. К утру 12 февраля группа вышла на дорогу Волочаевка — Нижне-Спасское, где соединилась с Троицкосавский полком и взяла курс на выход в тыл волочаевским укреплениям.
В 7 часов утра 12 февраля, когда все было готово к наступлению, раздались три выстрела 120-миллиметровой пушки «Виккерс» с бронепоезда № 9. Это был условный сигнал к штурму.
Началась артиллерийская подготовка. Через час в седом предрассветном тумане все части НРА перед Волочаевкой перешли в наступление.