蒋介石和南京国民政府原以为此举可以得到反共的列强各国的支持，却不料各国政府均对中方用武力解决中外权益纠纷的做法表示异议。《华盛顿伍朝枢致南京外交部电》（1929年7月21日），国民政府外交部档，0624?20／5050?02－03，1842。
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这样一来，苏联方面的态度自然更加强硬，不仅用大规模没收拘押在苏华侨以为报复，而且大举兴兵骚扰中国东北边境。由于张学良对苏联动武毫无准备，转而力谋妥协，南京政府却坚决反对退让。国民党这时接连在各地组织群众性的捍卫国家主权的示威游行，蒋介石更公开发表宣言，宣称：“吾人对俄政策之目的，首在暴露苏俄侵略之真相。”“如苏俄竟敢公然破坏世界和平，侵略我民族利益，吾人为世界和平计，为民族利益计，当以革命之精神，不惜牺牲一切，贯彻政府拥护国权之主张也。”《蒋为俄事再发宣言》，《大公报》1929年8月18日三版。
中苏两国打了3个月口水战之后，10月12日，终于爆发了著名的同江战役。苏军凌晨出动飞机25架、军舰10艘、机关炮车40余辆，后又增派骑兵约800余名、步兵3000余，向同江中国守军发动大规模进攻。中方海军江防舰队顽强抵抗后几近全军覆没，江平、江安、江泰、利捷、东乙等5舰被击沉，利绥舰受重伤逃回富锦。同时团以下军官17人被打死，士兵伤亡约700余。亦有说当天东北海军被击沉者为三舰，后又损失两舰。另报载东北边防军海军司令沈鸿烈当时报称：此役“我陆军死伤五百余，海军亦相等”。《沈鸿烈等奋战克同江》，《大公报》1929年10月17日三版。战至午后3时，苏军夺取了同江县城，中方守军被迫退守富锦。由于苏军随后很快后撤，南京方面坚信苏联短期内不可能发动大规模进攻，因此态度上依旧不做妥协。结果，从11月17日开始，苏军分东西两路再度大举进攻。西路主攻满洲里和札兰诺尔，东路分别指向绥芬河和密山县，并轰炸了牡丹江。东路就深入百余里，打下了密山县，并进至佳木斯以北牡丹江以东地区；西路更是由满洲里、札兰诺尔，经嵯冈一气攻陷了海拉尔。黑龙江守军韩光弟旅全军覆灭，旅长及团长均告阵亡；梁忠甲旅则因突围不成被迫投降。仅西路两旅守军被俘者，就已上万，其他人员和财产损失更是难以计其数。据北宁路局局长高纪毅对记者称，自中东路事件爆发至此役，东北公私损失已超过5000万元。而据苏方几年前披露的情况，仅10－11月间，苏军俘虏的中方中高级军官就有1334人，初级军官3097人，士兵14090人。科里沃舍耶夫主编：《苏联武装力量在历次战争、军事行动、军事冲突中损失揭密》，莫斯科：军事出版社1993年，第65－66页，转见刘志青前引书第190页。东北西线守军由满洲里、漠河一线，被迫退守海拉尔以东及兴安岭、博克图一线。张学良甚至要求漠河方向各卡官兵保护商民退至嫩江，以就食粮。
东北边防军两度失败，损失惨重，张学良被迫不顾南京方面的反对，单独与苏联订立了城下之盟。此举虽令南京不满，蒋介石终因顾虑到关内逐渐形成气候的反蒋风潮，而不得不曲予承认。此一事件，虽属中方收回自身权益的行动，结果却是南辕北辙，不仅损兵折将，人民遭殃，国家尽失颜面，而且还严重暴露了东北军的实力以及国际社会在中国东北问题上可能干预的程度，从而为两年后日本关东军大胆发动“九一八”事变，提供了重要的参考。
对于中东路事件，共产国际远东局从一开始就明确要求中共中央要提出“武装保卫苏联”的口号，并组织大规模的反对国民党和拥护苏联的群众示威。对此，中共中央毫不犹豫地做出了积极的响应。他们召开政治局会议，决定开动一切宣传机器，并在8月1日“反帝日”举行示威，而且争取发动上海工人总罢工。对于中共中央的做法，陈独秀专门致信中共中央提出批评，主张在这个时候片面宣传“拥护苏联”“于我们不利”，绝不能简单地认为“广大群众都认同苏联是中国解放的朋友”。《陈独秀给中共中央的信》，1929年7月28日，8月11日。为此，并鉴于陈独秀等人事实上根本反对中共中央的政治路线，中共中央很快正式决议将陈独秀等人开除出党。《江苏省委为开除彭述之汪泽凯马玉夫蔡振德及反对党内机会主义与托洛斯基反对派的决议》，1929年10月20日；《中共中央政治局关于开除陈独秀党籍并批准江苏省委开除彭述之汪泽凯马玉夫蔡振德四人决议案》，1929年11月15日，《中共中央文件选集》第5册，第549－555页。中共中央明确认为，陈独秀等人在中东路问题上的意见，“是党内一些动摇的机会主义分子的立场的最露骨的表现”。《评陈独秀的信件》，1929年11月18日。对于苏联红军大举入境打击东北军的行动，中共中央则明确认为，这是因为帝国主义进攻苏联战争马上就要爆发，国民党武装夺取中东铁路并“组织白俄军队，攻入苏联边境”，苏联不得不先发制人的结果。据此，他们提出：“只有取消主义的陈独秀”“才认为苏联与奉天的和平交涉，已经减轻了甚至没有了进攻苏联的危险”。党必须“更要加紧发动群众斗争走上武装斗争，会合工农一切武装斗争的实际行动，来执行武装拥护苏联与反军阀战争的任务，而走向全国范围的总暴动”。《中国共产党接受共产国际第十次全体会议决议的决议》，1929年12月20日，《中共中央文件选集》第5册，第594－599页。
当然，由于中东路事件最终以苏联的胜利而告结束，因此，中共和红军的“武装保卫苏联”也还主要是停留在示威游行以及宣传的口号上，没有具体转化为实际的行动。
