Практически сразу же после этого на границе начались активные маневры советских войск. 7 августа была сформирована Особая Дальневосточная Красная Армия (ОДКА). Продолжался обмен нотами протеста, были попытки вести переговоры, однако они окончились провалом. Конфликт перешел в ту фазу, когда вопрос состоял не в том, начнутся ли активные военные действия в принципе, а в том, когда они начнутся. Взаимные провокации происходили едва ли не ежедневно, дошло даже до того, что жители приграничных районов создавали собственные отряды самообороны, которые давали отпор регулярным частям – как советским, так и китайским.
К 1 октября 1929 года основные силы китайских войск (около 5–6 тысяч человек и 20 орудий) сосредоточились у устья реки Сунгари в районе Лахасусу – Фугдин (Фучин). Советская Сунгарийская группа была расположена на северном берегу Амура в районе устья Сунгари. Понимая, что в сложившейся ситуации время работает на противника и что китайская армия с каждым днем наращивает число войск у границы, советское командование приняло решение первым перейти в наступление. Сунгарийская наступательная операция ОДКА началась 12 августа. Амурская флотилия в бою под Лахасусу потопила 7 из 11 находившихся там китайских кораблей, на следующий день город был взят сухопутными частями ОДКА.
Китайские формирования, уцелевшие в боях у Лахасусу, отошли к городу Фугдин (примерно 60 км вверх по реке Сунгари). Однако и там закрепиться им не удалось. Фугдинская операция (военные историки считают ее вторым этапом Сунгарийской наступательной операции), начатая ОДКА 30 октября, уже через пять дней окончилась полной победой советских войск.
Дальнейшее наступление ОДКА было направлено на два укрепленных района, находившихся возле городов Маньчжоули и Чжалайнор. Здесь китайцы активно готовились к обороне, ими были построены многочисленные укрепления и вырыты километры противотанковых рвов. Однако несмотря на это, а также на установившуюся морозную погоду, 17 ноября 1929 года ОДКА начала так называемую Мишаньфусскую операцию. Ночью части Красной армии перешли по льду реку Аргунь и на рассвете атаковали китайские укрепления. Нападение было столь внезапным и при этом хорошо организованным, что первая линия обороны была смята буквально за несколько минут. Одновременно с этим кавалерийские эскадроны перерезали железную дорогу у Чжалайнора, так что китайцы не могли ни отступить по ней, ни подвезти подкрепления. Китайские солдаты оказывали ожесточенное сопротивление, но 18 ноября бойцы 35-й и 36-й стрелковых дивизий ОДКА при поддержке танков завершили разгром противника прежде, чем успели подойти подкрепления.
Взяв Чжалайнор, силы ОДКА повернули на Маньчжоули. К 20 ноября город и находившиеся в нем китайские части были полностью окружены. Потери армии гоминьдана в ходе Мишаньфусской операции составили 1500 человек убитыми, 1000 ранеными и 8300 пленными. Среди пленных был и командующий Северо-Западным фронтом Лян Чжуншян вместе со своим штабом. Потери же ОДКА составили более 120 человек убитыми и около 600 ранеными.
Лидеры гоминьдана осознали, что ситуация развивается явно не в их пользу, и еще до взятия Маньчжоули предложили советским представителям вступить в переговоры, существенно умерив свой воинственный пыл и аппетиты. 19 ноября 1929 года поверенный по иностранным делам Цай Юньшэн направил телеграмму представителю Наркоминдела в Хабаровске А. Симановскому, в которой говорилось, что два сотрудника советского консульства в Харбине отправляются в сторону фронта и просят, чтобы их встретили. 21 ноября двое русских – Кокорин, прикомандированный к немецкому консульству в Харбине с тем, чтобы помогать советским гражданам после разрыва дипломатических отношений с Китаем, и Нечаев, бывший переводчик КВЖД, – в сопровождении китайского полковника перешли на советскую сторону в районе станции Пограничная. Кокорин передал советским властям послание Цай Юньшэна: тот уполномочен приступить к немедленным мирным переговорам и просит СССР назначить официальное лицо для встречи с ним.