从7月10日开始，哈尔滨周围的战斗进入了最惨烈的阶段。由于长春受到了罗科索夫斯基和布琼尼的迂回进攻，陈兴润不得不从哈尔滨调走4个师星夜驰援长春，哈尔滨也就丧失了它最后的战略预备队。主战场仍然在松花江北岸，苏军许多团级作战单位已经推进到松花江岸边，与中**队阵地形成犬牙交错之势，某些重要渡口附近的阵地每天都要易主三次以上。科涅夫的军队已经于7月10日傍晚夺取了哈尔滨下游的三个渡口，并将两个步兵团和一个野战炮兵营渡到南岸，但是这点兵力很快被疯狂反攻的中**队打的七零八落，科涅夫不得不下令方面军直属炮兵向对岸开火，才勉强稳住了阵脚。库利克的进展小一点，只夺取了两处渡口，而且附近都有中国的机枪阵地，只有摧毁这些阵地才能保证渡江的安全。

库利克发现，中国步兵兵力充足，轻武器火力雄厚，每个阵地上都有机枪、迫击炮和枪榴弹组成的立体火力网，基层士兵普遍配有冲锋枪或半自动步枪，而且非常善于使用手榴弹，阵亡苏军有40%都是被手榴弹炸死。但是中**队的重武器明显不足，缺乏足够的压制手段，在面对苏军的步坦协同作战时，防御力就大大减弱，只能依靠燃烧瓶和反坦克手雷制约苏军坦克。库利克因此规定，在进攻中**队重点防御的阵地时，不能只使用步兵冲锋，必须有坦克伴随，即使仅仅是一两辆坦克也好，这样可以吸引中**队的火力，大大减轻步兵的压力。问题在于松花江北岸的地形太复杂，两军炮火制造的瓦砾堆使坦克举步维艰，还要随时提防中国人埋下的反坦克地雷，其行动速度反而比步兵还慢。根据7月11日苏联远东第2方面军的统计，当天该方面军在松花江北岸对46个中国阵地进行了攻击，只有的攻击有坦克支援，那些没有坦克支援的攻击几乎都失败了。不过，随着战线的推移，苏军坦克逐渐越过了最难行进的地段，开始集中火力攻击中国防御最严密的几个阵地——如松花江拖拉机厂阵地、江北铁路总站阵地和呼兰重型机床厂阵地等。这些工厂或车站都被中**队改造成了错综复杂的防御迷宫，并且利用工厂的地下通道进行转移和联络，从而避免了遭到苏军炮火进攻。火车站的仓库加上路障和铁丝网，是抵御苏军步坦协同作战的绝好支撑点，厚厚的混凝土墙壁即使被76.2毫米火炮正面击中也不会倒塌，T34坦克拿它基本没有办法，只能依靠100毫米以上的自行火炮和野炮予以摧毁。库利克对前线将士下达的命令是：“7月12日中午以前必须攻下江北火车总站！”然而7月12日凌晨，太阳尚未升起的时候，中国第13集团军在江北最后剩余的机动部队——两个步兵团，向江北火车总站附近的苏军发动了凶猛的反突击；他们顶着凌厉的炮火高唱战歌前进，当苏军用机枪扫射时，就匍匐在尖锐的瓦砾堆上继续前进，全身上下被瓦砾割的鲜血淋漓仍然毫不在乎。经过两个多小时的恶战，苏军被迫从原有阵地上后撤了500米，江北火车总站虽然已经被炮火轰的遍体鳞伤，却仍然坚定地屹立在法西斯匪徒的面前！

7月12日上午11点，科涅夫的远东第1方面军夺取了连接江北两大重镇呼兰和巴彦的一个村庄——大方，这里离中国第13集团军第97师的师部只有不到1公里。第13集团军司令靳成亮得到情报之后，说的第一句话是：“无论付出多少代价，夺回大方！”连续作战一个多星期、已经疲惫不堪的第97师几乎出动了一切可用的预备队，连师部的参谋和文书都挥舞着手枪加入了冲锋，终于在当天下午4点将苏军逐出了大方。第97师师长立即把师部迁移到了大方，师长亲自站在一间民房的门口，用一支半自动步枪的刺刀在墙上写下了：“想占领这里，就从我的身上踏过去吧！”果然，苏军在一个小时之后就结集两个师另一个炮兵团向大方发动反冲锋，25辆BT坦克和12辆T34也于傍晚加入了战斗，此起彼伏的炮声一直持续到深夜还未停止。第97师在极度缺乏反坦克炮的情况下，完全依靠反坦克障碍物和燃烧瓶阻击苏军坦克，有的士兵甚至不惜全身绑满手榴弹滚向坦克履带下，用生命迟滞苏军推进的步伐！7月13日凌晨，科涅夫又亲自下令调拨了1个炮兵师对大方进行集中猛轰，第97师在本来就不满员的情况下，孤军抗击苏军四到六倍兵力的围攻，但是没有一个人提出撤退或投降。中午12点，苏军坦克将第97师的阵地切割成三块，在一望无际的麦田里与第97师剩余的士兵展开了最后决战，燃烧瓶和燃烧弹引发的火焰将几十里长的田野烧成了一片焦黑，也烧毁了二十多辆不可一世的苏军坦克。到了下午3点，苏军终于控制了整个大方村，这个方圆不足两里的小村庄，他们却花了整整28个小时才勉强占领。

大方沦陷之后，整个江北战场的枢纽已经不复存在，苏军小股部队已经渗透到松花江铁路桥附近。为了保证南岸的安全，靳成亮不得不忍痛下令于7月13日午夜炸毁铁路桥，南岸与北岸的联系就这样中断了。北岸还残留着6个中国师的师部、21个团级以上作战单位，其中大部分已经苦苦支撑了半个月，每个团的平均战斗人员还不到300人！由于零散的阵地不断被苏军蚕食，幸存的中国守军逐渐集中到江北铁路总站附近，建立了一个1.3公里长、3公里纵深的最后阵地。从7月14日开始，苏军两个方面军的主力都放到了这个狭窄的阵地上，阵地前方的火炮数量一度高达900门！与此同时，苏联工程兵正在不停的清理渡场，并把小股部队渡到哈尔滨上游或下游的松花江南岸，企图在24小时内建立坚固的桥头堡。虽然第13集团军和第17集团军一次又一次击溃了渡到松花江南岸的苏军小股部队，但由于缺乏大口径火炮，无法摧毁松花江北岸的苏军渡口，只能眼睁睁看着对方不停地把部队集结起来，发动进一步攻势。7月15日上午，苏军投入了整整一个坦克师进攻江北铁路总站和周边附属阵地，整个火车站的站台和仓库都已经变成废墟，熊熊大火在铁道线附近到处燃烧；中国守军在过去24小时内已经从1万人锐减到3000人，这还是加上高级军官、后勤人员和民兵之后的数字，但是这样一支残缺不全的部队仍然不肯投降！在完成了对车站四面八方的包围之后，苏军用高音喇叭向守军喊话：“勇敢的中国人，你们已经尽力了，投降吧！现在投降，无损于军人的荣誉，你们完全对的起自己的祖国，我们将保证以人道主义原则对待你们！”中国阵地上开始是一片死一般的沉寂，此后突然爆发出震耳欲聋的怒吼声：“法西斯匪徒滚回去！”“打倒法西斯！打倒斯大林！”“滚吧，我们是不会投降的！”这就是弹尽粮绝的中**人对武装到牙齿的敌军的最后回答！

7月15日下午，苏军出动60多架伊尔2强击机，将已经成为废墟的江北火车总站又犁了一遍，苏联的双头鹰军旗终于勉强插在了站台上。库利克元帅在当天的日记里写道：“自从战争爆发以来，我一直没有动摇必胜的信心，但就在今天，这个信心遭到了严重的动摇。中国人为什么竟然能够这样顽强的抵抗？是什么力量支撑着他们用血肉之躯阻挡我们的坦克履带，甚至重伤员都宁可拿着手榴弹与我们的士兵同归于尽？这仅仅是一座哈尔滨而已，中国还有多少座像哈尔滨一样的城市，我们都能一一征服吗？这场战争究竟要持续到什么时候，又会以什么方式结束，不能不重新加以考虑。”科涅夫也在给苏军总参谋部的电报中写道：“中国人抵抗的顽强惨烈，大大超乎我们的力量，也给我军士气造成了一定程度的打击。在牡丹江，我们一次可以抓获上万名战俘，但在哈尔滨，我们连一个活着的伤员都很难抓到。战斗的激烈程度与我军战前的宣传产生了极大矛盾，现在士兵们不仅惊叹于中国人的顽强，还产生了严重悲观的情绪。”

当哈尔滨正面的战斗进行的如火如荼时，罗科索夫斯基也在哈尔滨东南侧翼发动了攻势。罗科索夫斯基的红旗第1集团军分成两支，一支向西南迂回进攻长春，已经夺取了长春以东的第一大重镇吉林市，另一支则向西进攻哈尔滨东南的重镇尚志。罗科索夫斯基的大部分坦克和摩托化步兵都已经投入到吉林战线上去了，但他手头还拥有雄厚的炮兵和徒步步兵，600多门榴弹炮和加农炮的徐进弹幕射击使尚志守军受到极大压力，一天之内伤亡就超过1000人。尚志本来有1个步兵师、1个装甲师和2个民兵师驻守，但是由于哈尔滨战局危急，装甲师已经被调走，步兵师也被调出了一个团，现在尚志只能依靠民兵来防守了。在罗科索夫斯基的强大步兵进攻下，2个民兵师显得那样渺小无助，但尚志人民在火线上不断的加入战斗队伍，从7月9日一直抵抗到11日，苏军将包围圈最后缩小到三个半径不足500米的小包围圈，抵抗一直没有停止。7月10日晚上10点，尚志民兵守备部队向哈尔滨发去了最后一封电报：“我军弹尽粮绝，已经没有预备队可用，正在展开大规模刺刀白刃战。英勇的市民们在废墟之间拿着砖块扔进法西斯坦克的履带中，用土制手榴弹给予敌人沉重打击。全体官兵已经有了牺牲的觉悟，我们发誓将战至最后一人，人在阵地在，决不投降。不可战胜的共和国万岁！不可战胜的中国人民万岁！”七个小时之后，苏军终于占领了整个尚志，最后留守尚志的民兵无一生还，罗科索夫斯基在视察战场时不禁感叹：“这是我有生以来见过最勇敢的敌人。”