而另一侧的第25集团军在一开始就遭到国军第5军(军长邱清泉中将)和第25军(军长黄百韬中将)的坚决阻击,至始至终未能取得任何进展。
因无法同困守库伦城的切尔尼亚霍夫斯基取得联系,外围苏军在直接请示华西列夫斯基后,放弃了解围行动,全体退往托木斯克,并转入防御。
苏军在5天的反突击中伤亡超过3万,却仅救出机械化第10军,可以说是得不偿失。
同日,在确认库伦周边已无苏军部队后,国军对库伦城内的红旗第1集团军发布劝降公告,未得到回应,随即发起总攻。
陷入绝望的苏军一面节节抵抗,一面向托木斯克空运撤出辎重部队人员和伤员。
经过惨烈的巷战,残余苏军同新西伯利亚方面军司令部一同被压缩至城西南一隅。
最后时刻,苏军高级指挥人员决定乘坐直升机撤离,然而切尔尼亚霍夫斯基坚决不走,打算“尽到方面军司令员最后的责任”(撤离库伦的别洛鲍罗多夫语)。
三天后,周森率整三十八师包围并突入了苏军控制的最后一个街区,切尔尼亚霍夫斯基看着周森:“你就是周森?”
周森点头:“对!我是中国国民革命军整三十八师师长周森。希望你命令部队向我部投降。”
切尔尼亚霍夫斯基喝了一口酒说:“可以,希望你们能善待我的士兵,他们只是执行者。”
“我保证!希望大将阁下跟我走吧!”周森说道。
切尔尼亚霍夫斯基笑道:“我自有该去的地方。”
刚说完话,切尔尼亚霍夫斯基的嘴角流出了鲜血。
切尔尼亚霍夫斯基大将自戕了,死前命令全体苏军官兵投降。
“堡垒”战役以国军的彻底胜利而告终。
这场库伦周边的战役,极大地改善了外蒙古中国军队的处境。
由于担心国军乘胜追击托木斯克的新西伯利亚方面军残部、对苏联西伯利亚地区造成威胁,苏军总参谋部火速任命远东第一方面军司令基里尔。阿法纳西耶维奇。梅列茨科夫元帅兼任新西伯利亚方面军司令,指挥托木斯克苏军。
另一方面结束了外贝加尔方面军和远东第2方面军在外蒙古东北面的攻势,转而向托木斯克、鄂木斯克转运兵力,加强守备。
至此,国军原驻蒙部队的压力得到缓解,又取得了战场主动权,随时可以转入攻势,对苏联领土实施反攻。
库伦会战结束后,苏联政府决心在局势进一步恶化前结束这场战争,于是致电国民政府,要求和谈。
国民政府同苏联政府举行谈判,双方重申了《中苏和平条约》各项条款,外蒙古的主权重新归属中国。