周森緊張地站在師指揮部，看着手錶上的指針，一分一秒地走過。
凌晨5時整，隨着老頭子的一聲令下，“堡壘”戰役正式打響！
在中央集團軍100多公里的正面上，18000門加農炮、榴彈炮和火箭炮同時轟鳴，猛烈的彈雨給了毫無防備的蘇軍當頭一棒。
空軍各轟炸大隊和驅逐大隊重點攻擊庫倫城外的第8近衛集團軍和第5集團軍陣地，使這部分蘇軍在國軍發起進攻前無法組織有效防禦。
出於保護庫倫城區的考慮，國軍主要驅逐城區外蘇軍，而以整三十八師和空軍火力封鎖庫倫外圍。
庫倫城內的切爾尼亞霍夫斯基和紅旗第1集團軍眼看城外蘇軍一敗塗地，迫切地想要出城支援。
由紅旗第1集團軍參謀長艾斯克勒羅夫.艾斯克洛維奇.倫納迪爾多夫中將親自指揮的數次突圍均被周森指揮整三十八師給打回去了。勝利者轉眼間變成了受困城中的孤軍。
此時，中國西集團軍和中國東集團軍輕易突破了當面的蘇軍第57集團軍和第65集團軍的防線，插入蘇軍背後，對潰退的近衛第8集團軍和第5集團軍形成合圍之勢。
至中午時分，切爾尼亞霍夫斯基的司令部才恢復了同蘇軍各集團軍的聯繫，搞清楚了方面軍當前的窘境：除紅旗第1集團軍困守庫倫以外，新西伯利亞方面軍下屬各集團軍均被驅逐至距庫倫30公里以外，且一半部隊遭國軍合圍，另一半則損失慘重。
方面軍直屬的空軍第9集團軍在飛機數量上同國軍8個大隊不相上下，但是部分於夜間被國軍飛機炸燬在機場，部分於國軍突擊時被俘獲，現在已徹底失去了奪取制空權的能力。
蘇軍不僅損失了大量士兵，也失去了一些高級指揮人員，近衛坦克第5集團軍軍事委員烏里揚諾夫在混亂中親臨火線，試圖再次組織督戰隊，然而卻遭流彈擊斃，反而加速了集團軍的崩潰。
切爾尼亞霍夫斯基於庫倫城內試圖挽回敗局，因而命令擔任後衛因而建制完好的第25集團軍和第35集團軍對國軍實施反突擊，救出位於包圍圈內的近衛第8集團軍、第5集團軍、機械化第10軍以及庫倫城內的紅旗第1集團軍。
這時，蘇軍已能夠對國軍的反攻做出應對：遭受重大傷亡的近衛坦克第5集團軍、近衛第7集團軍退往託木斯克重整。
第57集團軍、第65集團軍就地構築防禦工事，防止國軍進一步突擊，擴大包圍圈範圍。
第25集團軍、第35集團軍組成的蘇軍反突擊集團向國軍包圍圈發起進攻。
而且，蘇軍的反突擊取得了一定的成效：第35集團軍先頭部隊第39步兵軍突破國軍東集團軍新編第6軍的防線，同機械化第10軍會合。
然而，機械化第10軍是唯一一支被成功解救的蘇軍部隊。
正當第39步兵軍試圖同近衛第8集團軍接觸時，同周森指揮的整三十八師遭遇併發生激戰。
第39步兵軍不但未能再前進一步，反而被整三十八師在戰線多處實現突破，突破縱深最深達12公里。
此時，國軍總司令部已發現此處險情，緊急調遣空軍3個轟炸大隊協同整三十八師反攻。
傍晚，爲防止解圍不成反而陷入包圍，第39步兵軍軍長肖伍霍夫.斯特諾耶維奇.黃斯洛夫少將被迫指揮部隊撤退。
而另一側的第25集團軍在一開始就遭到國軍第5軍（軍長邱清泉中將）和第25軍（軍長黃百韜中將）的堅決阻擊，至始至終未能取得任何進展。
因無法同困守庫倫城的切爾尼亞霍夫斯基取得聯繫，外圍蘇軍在直接請示華西列夫斯基後，放棄瞭解圍行動，全體退往託木斯克，並轉入防禦。
蘇軍在5天的反突擊中傷亡超過3萬，卻僅救出機械化第10軍，可以說是得不償失。
同日，在確認庫倫周邊已無蘇軍部隊後，國軍對庫倫城內的紅旗第1集團軍發佈勸降公告，未得到迴應，隨即發起總攻。
陷入絕望的蘇軍一面節節抵抗，一面向託木斯克空運撤出輜重部隊人員和傷員。
經過慘烈的巷戰，殘餘蘇軍同新西伯利亞方面軍司令部一同被壓縮至城西南一隅。
最後時刻，蘇軍高級指揮人員決定乘坐直升機撤離，然而切爾尼亞霍夫斯基堅決不走，打算“盡到方面軍司令員最後的責任”（撤離庫倫的別洛鮑羅多夫語）。
三天後，周森率整三十八師包圍並突入了蘇軍控制的最後一個街區，切爾尼亞霍夫斯基看着周森：“你就是周森？”
周森點頭：“對！我是中國國民革命軍整三十八師師長周森。希望你命令部隊向我部投降。”
切爾尼亞霍夫斯基喝了一口酒說：“可以，希望你們能善待我的士兵，他們只是執行者。”
“我保證！希望大將閣下跟我走吧！”周森說道。
切爾尼亞霍夫斯基笑道：“我自有該去的地方。”
剛說完話，切爾尼亞霍夫斯基的嘴角流出了鮮血。
切爾尼亞霍夫斯基大將自戕了，死前命令全體蘇軍官兵投降。
“堡壘”戰役以國軍的徹底勝利而告終。
這場庫倫周邊的戰役，極大地改善了外蒙古中國軍隊的處境。
由於擔心國軍乘勝追擊託木斯克的新西伯利亞方面軍殘部、對蘇聯西伯利亞地區造成威脅，蘇軍總參謀部火速任命遠東第一方面軍司令基里爾.阿法納西耶維奇.梅列茨科夫元帥兼任新西伯利亞方面軍司令，指揮託木斯克蘇軍。
另一方面結束了外貝加爾方面軍和遠東第2方面軍在外蒙古東北面的攻勢，轉而向託木斯克、鄂木斯克轉運兵力，加強守備。
至此，國軍原駐蒙部隊的壓力得到緩解，又取得了戰場主動權，隨時可以轉入攻勢，對蘇聯領土實施反攻。
庫倫會戰結束後，蘇聯政府決心在局勢進一步惡化前結束這場戰爭，於是致電國民政府，要求和談。
國民政府同蘇聯政府舉行談判，雙方重申了《中蘇和平條約》各項條款，外蒙古的主權重新歸屬中國。