蔣介石和南京國民政府原以為此舉可以得到反共的列強各國的支持，卻不料各國政府均對中方用武力解決中外權益糾紛的做法表示異議。《華盛頓伍朝樞致南京外交部電》（1929年7月21日），國民政府外交部檔，0624?20／5050?02－03，1842。
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這樣一來，蘇聯方麵的態度自然更加強硬，不僅用大規模沒收拘押在蘇華僑以為報複，而且大舉興兵騷擾中國東北邊境。由於張學良對蘇聯動武毫無準備，轉而力謀妥協，南京政府卻堅決反對退讓。國民黨這時接連在各地組織群眾性的捍衛國家主權的示威遊行，蔣介石更公開發表宣言，宣稱：“吾人對俄政策之目的，首在暴露蘇俄侵略之真相。”“如蘇俄竟敢公然破壞世界和平，侵略我民族利益，吾人為世界和平計，為民族利益計，當以革命之精神，不惜犧牲一切，貫徹政府擁護國權之主張也。”《蔣為俄事再發宣言》，《大公報》1929年8月18日三版。
中蘇兩國打了3個月口水戰之後，10月12日，終於爆發了著名的同江戰役。蘇軍淩晨出動飛機25架、軍艦10艘、機關炮車40餘輛，後又增派騎兵約800餘名、步兵3000餘，向同江中國守軍發動大規模進攻。中方海軍江防艦隊頑強抵抗後幾近全軍覆沒，江平、江安、江泰、利捷、東乙等5艦被擊沉，利綏艦受重傷逃回富錦。同時團以下軍官17人被打死，士兵傷亡約700餘。亦有說當天東北海軍被擊沉者為三艦，後又損失兩艦。另報載東北邊防軍海軍司令沈鴻烈當時報稱：此役“我陸軍死傷五百餘，海軍亦相等”。《沈鴻烈等奮戰克同江》，《大公報》1929年10月17日三版。戰至午後3時，蘇軍奪取了同江縣城，中方守軍被迫退守富錦。由於蘇軍隨後很快後撤，南京方麵堅信蘇聯短期內不可能發動大規模進攻，因此態度上依舊不做妥協。結果，從11月17日開始，蘇軍分東西兩路再度大舉進攻。西路主攻滿洲裏和劄蘭諾爾，東路分別指向綏芬河和密山縣，並轟炸了牡丹江。東路就深入百餘裏，打下了密山縣，並進至佳木斯以北牡丹江以東地區；西路更是由滿洲裏、劄蘭諾爾，經嵯岡一氣攻陷了海拉爾。黑龍江守軍韓光弟旅全軍覆滅，旅長及團長均告陣亡；梁忠甲旅則因突圍不成被迫投降。僅西路兩旅守軍被俘者，就已上萬，其他人員和財產損失更是難以計其數。據北寧路局局長高紀毅對記者稱，自中東路事件爆發至此役，東北公私損失已超過5000萬元。而據蘇方幾年前披露的情況，僅10－11月間，蘇軍俘虜的中方中高級軍官就有1334人，初級軍官3097人，士兵14090人。科裏沃舍耶夫主編：《蘇聯武裝力量在曆次戰爭、軍事行動、軍事衝突中損失揭密》，莫斯科：軍事出版社1993年，第65－66頁，轉見劉誌青前引書第190頁。東北西線守軍由滿洲裏、漠河一線，被迫退守海拉爾以東及興安嶺、博克圖一線。張學良甚至要求漠河方向各卡官兵保護商民退至嫩江，以就食糧。
東北邊防軍兩度失敗，損失慘重，張學良被迫不顧南京方麵的反對，單獨與蘇聯訂立了城下之盟。此舉雖令南京不滿，蔣介石終因顧慮到關內逐漸形成氣候的反蔣風潮，而不得不曲予承認。此一事件，雖屬中方收回自身權益的行動，結果卻是南轅北轍，不僅損兵折將，人民遭殃，國家盡失顏麵，而且還嚴重暴露了東北軍的實力以及國際社會在中國東北問題上可能幹預的程度，從而為兩年後日本關東軍大膽發動“九一八”事變，提供了重要的參考。
對於中東路事件，共產國際遠東局從一開始就明確要求中共中央要提出“武裝保衛蘇聯”的口號，並組織大規模的反對國民黨和擁護蘇聯的群眾示威。對此，中共中央毫不猶豫地做出了積極的響應。他們召開政治局會議，決定開動一切宣傳機器，並在8月1日“反帝日”舉行示威，而且爭取發動上海工人總罷工。對於中共中央的做法，陳獨秀專門致信中共中央提出批評，主張在這個時候片麵宣傳“擁護蘇聯”“於我們不利”，絕不能簡單地認為“廣大群眾都認同蘇聯是中國解放的朋友”。《陳獨秀給中共中央的信》，1929年7月28日，8月11日。為此，並鑒於陳獨秀等人事實上根本反對中共中央的政治路線，中共中央很快正式決議將陳獨秀等人開除出黨。《江蘇省委為開除彭述之汪澤凱馬玉夫蔡振德及反對黨內機會主義與托洛斯基反對派的決議》，1929年10月20日；《中共中央政治局關於開除陳獨秀黨籍並批準江蘇省委開除彭述之汪澤凱馬玉夫蔡振德四人決議案》，1929年11月15日，《中共中央文件選集》第5冊，第549－555頁。中共中央明確認為，陳獨秀等人在中東路問題上的意見，“是黨內一些動搖的機會主義分子的立場的最露骨的表現”。《評陳獨秀的信件》，1929年11月18日。對於蘇聯紅軍大舉入境打擊東北軍的行動，中共中央則明確認為，這是因為帝國主義進攻蘇聯戰爭馬上就要爆發，國民黨武裝奪取中東鐵路並“組織白俄軍隊，攻入蘇聯邊境”，蘇聯不得不先發製人的結果。據此，他們提出：“隻有取消主義的陳獨秀”“才認為蘇聯與奉天的和平交涉，已經減輕了甚至沒有了進攻蘇聯的危險”。黨必須“更要加緊發動群眾鬥爭走上武裝鬥爭，會合工農一切武裝鬥爭的實際行動，來執行武裝擁護蘇聯與反軍閥戰爭的任務，而走向全國範圍的總暴動”。《中國共產黨接受共產國際第十次全體會議決議的決議》，1929年12月20日，《中共中央文件選集》第5冊，第594－599頁。
當然，由於中東路事件最終以蘇聯的勝利而告結束，因此，中共和紅軍的“武裝保衛蘇聯”也還主要是停留在示威遊行以及宣傳的口號上，沒有具體轉化為實際的行動。
