Тогда как стрелковые соединения 1-й Краснознамённой армии продолжали изнурительные лобовые атаки города, в обход Муданьцзяна с юга был выдвинут 10-й механизированный корпус, а танковые части 1-й Краснознамённой армии по тайге обошли город с севера и атаковали 5-ю японскую армию в тыл. 16 августа соединения 1-й Краснознамённой и 5-й армий, завершив разгром 5-й японской армии и к утру 17 августа полностью овладев Муданьцзяном, расчленили группировку 1-го японского фронта и развернули стремительное наступление на Харбин и Гирин. Остатки 5-й японской армии под непрерывным огнём и ударами штурмовой авиации отступили на запад – в горы, к станции Ханьдаохэцзы. Понесшая тяжёлые потери 3-я японская армия большей частью сил отходила на юго-запад – на Нинань и Гирин. Её преследовали передовые отряды советской 5-й армии. Дороги, по которым отступали японские армии, представляли собой цепь громадных дымных костров – то горели японские танки, автомашины, трактора…
В сражении за Муданьцзян погибло 2/3 японской 5-й армии. 9 тыс. японских солдат и офицеров остались лежать на поле боя, вдвое больше пропали без вести при отступлении. Были потеряны практически все танки. В дивизиях, имевших к началу сражения 60–70 орудий, к вечеру 16 августа оставалось по 6-10 стволов. Тяжёлая армейская артиллерия (два полка) была полностью уничтожена огнём советских пушек и ударами танковых бригад на марше, даже не успев развернуться и вступить в бой. Советские войска захватили 7 тыс. пленных, 150 складов с горючим, продовольствием, боеприпасами и прочим военным имуществом.
Успеху советских войск в Муданьцзянском сражении немало способствовали действия 9-й воздушной армии, которая господствовала в воздухе и массированными бомбоштурмовыми ударами срывала все попытки японского командования произвести перегруппировку войск.
Остатки 5-й японской армии отошли к станции Ханьдаохэцзы, где заняли круговую оборону в районе складских помещений базы снабжения артиллерии 1-го фронта. В частях, окружённых у Ханьдаохэцзы, оставалось: в 122-й дивизии -6 тыс. человек, в 124-й дивизии – 6 тыс. человек, в 126-й дивизии – 5 тыс. человек, в 135-й дивизии – 2 тыс. человек и 6 орудий (из 64 по штату), в 1-й мотомех-бригаде смертников – 1 тыс. человек, в 125-й дивизии – 2 тыс. человек, в частях и подразделениях армейского и фронтового подчинения – 4 тыс. человек.
18 августа командующий 1-й Краснознамённой армией генерал Белобородов направил к Харбину подвижную группу генерала Максимова. По пути её с белыми флагами встретили генералы штаба 5-й японской армии. Максимов потребовал от них безоговорочной капитуляции – самураи не согласились. Максимов продолжил движение к Харбину, оставив несговорчивых японцев в тылу. Обескураженные японские генералы пытались вступить в переговоры с проходившей мимо колонной одного из советских корпусов… К вечеру генералов доставили на автомобилях в штаб 1-й Краснознамённой армии. Начался торг об условиях сдачи остатков 5-й японской армии, свидетелем которого стал корреспондент Е. Кригер. Начальник штаба армии генерал-майор Кавакоэ Сигесада, заявляя, что в японском языке нет такого слова – «капитуляция», настаивал на щадящей японское самолюбие формулировке «сложить оружие и сдаться в плен». Однако генерал Белобородов, пренебрегая психологическими нюансами, категорически заявил: «Ка-пи-туляция!» И потребовал у японской делегации незамедлительно сдать ему всё личное оружие, вплоть до сабель и фамильных самурайских мечей. Лицо генерала Кавакоэ было ужасно: обида, протест, мольба о сохранении воинской чести смешались на нём. Но победитель диктует условия побеждённому, а не наоборот. Остатки 5-й армии безоговорочно капитулировали. В плен 1-й Краснознамённой армии сдались штаб и управление 5-й армии, остатки 122, 124, 126, 135-й пехотных дивизий, 1-й мотомехбригады смертников, штаб и тыловые подразделения 125-й пехотной дивизии, база артиллерийского снабжения 1-го фронта – 26 тыс. человек при 4 танках, 30 орудиях и 80 автомашинах, а также 63 склада с боеприпасами.
20 августа приём пленных по акту был завершён. Но разоружение и уничтожение блуждающих разрозненных остатков 5-й японской армии в районе Ханьдаохэцзы продолжалось и в последующие дни. Здесь за 22 августа -1 сентября были разоружены остатки 1-й маньчжурской пехотной дивизии (2 тыс. человек) во главе с её командованием, 386-й пехотный полк 135-й японской дивизии (1500 человек), истреблены в боях сводный отряд «партизан» – курсантов унтер-офицерской школы и отряд смертников в количестве 300 человек. Кроме того, в сопках в районе станции Эхэ (Эхо) за тот же период в ходе прочёсывания местности было пленено 1200 солдат и офицеров из состава 124-й и 126-й пехотных дивизий.