Спустя две недели в бой вступили основные силы Дальневосточной армии. 17 ноября 1929 года, в ответ на систематические нарушения советской границы в районе озера Ханка, перешла в наступление группа под командованием А. Я. Лапина (1-я стрелковая дивизия, 9-я отд. кавалерийская бригада и авиагруппа). Она атаковала расположенные в районе города Мишаньфу (Мишань) китайские части (1-я Мукденская дивизия, 1-я кавалерийская бригада и 42-й пехотный полк) и отбросила их к 18 ноября до реки Мулинхэ (приток Уссури).
Одновременно 17–20 ноября 1929 года расположенная в Забайкалье советская группировка провела Маньчжуро-Чжалайнорскую операцию. Главный удар был нанесен в районе станций Маньчжурия и Чжалайнор (КВЖД). Там находилась основная ударная группировка маньчжурских войск под командованием Лян Чжуцзяна (около 59 тыс. чел.).
Решающую роль в Маньчжуро-Чжалайнорской операции сыграла Забайкальская группа под командованием С. С. Вострецова (8 тыс. чел.). Она рассекла и окружила передовую китайскую группировку (свыше 15 тыс. чел.) в районе станций Маньчжурия и Чжалайнор, а затем заставила капитулировать гарнизоны этих опорных пунктов. Потери китайских войск составили 2,5 тыс. убитыми и ранеными, свыше 8 тыс. пленными (в том числе в плен попал командующий генерал Лян Чжуцзян со своим штабом). После этой победы части Красной Армии двинулись вдоль КВЖД и овладели городом Хайлар. Советские войска потеряли в обеих операциях около 1 тыс. чел. (в том числе 143 убитых).
Результатом этих трех операций стал полный разгром войск Чжан Сюэляна. Несмотря на значительное численное превосходство, они оказались не в состоянии серьезно противостоять регулярным частям Красной Армии. Советско-китайский конфликт 1929 года значительно обогатил опыт проведения вооруженными силами СССР масштабных военных операций на Дальнем Востоке. Этот опыт затем был успешно использован советским командованием при проведении Маньчжурской операции 1945 года.
Потерпев полное поражение, маньчжурское руководство вступило в переговоры о перемирии. Тем не менее Чан Кайши еще надеялся на западную помощь. 26 ноября представитель гоминьдановского правительства в Лиге Наций пытался поднять вопрос об «агрессии» СССР. Однако ожидаемой поддержки он не получил. Даже представитель Англии, занимавший в целом враждебную СССР позицию, высказался против вынесения данного предложения на рассмотрение Лиги Наций.
Неудачей окончилась и попытка Чан Кайши создать «смешанную комиссию» по расследованию обстоятельств конфликта с председателем — «гражданином нейтральной страны». Не сумев втянуть в разрешение конфликта представителей западных держав, руководство Китая было вынуждено пойти с СССР на мировую.
22 декабря 1929 года в Хабаровске советская и китайская стороны подписали специальный Протокол. Он предусматривал восстановление прав СССР на КВЖД в соответствии с советско-китайским договором 1924 года. Китайские власти обязались разоружить находящиеся на территории Маньчжурии белоэмигрантские формирования. Протокол также предусматривал восстановление нормального положения на советско-китайской границе.
После этого Красная Армия покинула территорию Маньчжурии. Последний эшелон с советскими бойцами вернулся в СССР в ночь на 25 декабря 1929 года. Это была первая со времен Гражданской войны победа Красной Армии над армией крупного иностранного государства. Советский Союз зримо показал всему миру, что может успешно защитить свои дальневосточные рубежи.
Впрочем, этот успех Красной Армии не привел к укреплению позиций СССР в Маньчжурии. Советское присутствие на КВЖД оказалось недолгим. Убедившись в росте советской военной мощи на Дальнем Востоке, в спор за влияние в Северо-Восточном Китае вступила Япония. В 1931 году японские войска оккупировали Маньчжурию, и КВЖД вновь стала объектом провокаций. Не желая вступать в конфликт с Японией, СССР продал в 1935 году КВЖД маньчжурскому правительству.
После захвата Японией Маньчжурии (1931–1933) у восточных границ СССР возник серьезный очаг военной напряженности. Однако дальнейшая японская экспансия стала распространяться в район Центрального Китая. Тем не менее руководство Японии проверило обороноспособность северного соседа, которого считало одним из своих основных противников. Во многом с целью нейтрализации СССР Япония пошла на заключение Антикоминтерновского пакта с Германией (1936). В результате японо-германского альянса Советский Союз оказался зажат с запада и востока между двумя мощными враждебными державами, имеющими виды на его территории. Антикоминтерновский пакт значительно усилил для СССР угрозу войны на два фронта.
Заключив пакт, Япония начала проверку прочности советских рубежей. В 1936–1937 годах на дальневосточных границах СССР произошел ряд вооруженных инцидентов с участием японских военнослужащих. В мае — июне 1938 года в японской прессе началась широкая пропагандистская кампания по поводу так называемых «спорных территорий» на границе Маньчжурии с советским Приморьем.