“红色东方”号在压制了江岸上的炮垒后，转移火力轰击“江平”号炮舰，很快就将该舰击沉。苏联浅水重炮舰集中攻击对其威胁最大的“东乙”号，而“东乙”号仗着矮小的个头躲过了大多数攻击，苏舰遂将炮火集中在拖曳它的“江安”号身上，该舰很快就船舷中炮，甲板碎裂，起火燃烧；不久又被击中锅炉，引起爆炸，舰体断成两截，官兵死伤惨重。“孙中山”号击中“江泰”号后舱，将舵轮炸飞，无法机动；接着“江泰”号主炮又被击毁，代理舰长莫耀明亦阵亡，终被击沉。
开战仅仅一个半小时以后，唯一还在江面上战斗的只剩下不是军舰的“东乙”号了，它失去了拖曳船，无法机动，在苏联浅水重炮舰的猛烈攻击下，船体被炸坏，火炮也被击毁，已经无力再战，被迫自沉。其幸存官兵转移到广州商船上，撤往富锦。
当江上作战正在激烈的进行时，在两艘炮舰的掩护下，“劳动”、“卡尔·马克思”、“马克·瓦良金”、“巴维尔·茹拉夫列夫”号四艘武装轮船上搭载的第二步兵师沃罗恰耶夫团的一个营四百多人在同江县城以东约10华里处登陆，进攻中国军队驻地。守卫该地区的东北海军陆战大队和陆军第九旅的孟昭林营协同抵抗，击退了苏军的首次攻击。但是苏军炮火猛烈，又有两千多名援兵从三江口下游登陆，迂回袭击中国守军侧翼。至下午三时，陆军除了配合海军陆战队作战的一个营外全部退走，海军陆战队和陆军营大都阵亡，大队长李润青以下70多人被俘。
正在哈尔滨开会的沈鸿烈听到噩耗，星夜赶到富锦，把带有铁架的驳船一艘、商船三艘沉在富锦下游14公里处的航道上，形成堵塞线；并在附近设置了坚固的炮兵阵地和长达13公里的掩体线，破坏了从同江到富锦公路上所有的桥梁，以防苏舰来犯。但是苏联军队攻占了同江县城后，于次日撤出，东北军第九旅的路永才、张佐臣两个团在18日苏军撤回国境后，才“收复”了同江城。
在同江之战中，据沈鸿烈报称，东北海军伤亡500多人（包括海军陆战队），军舰被击沉4艘，重伤1艘，“海骏”号炮艇（45吨）被苏军俘获，改名“Pobieda”号。陆军阵亡营长孟昭林以下军官17名、士兵350名；中方公布的数字苏方飞机被击落2架（也有资料称是1架），军舰被击沉3艘，伤4艘，人员伤亡300余名。苏方实力出于压倒性的优势，这样的“战果”实在是匪夷所思，击沉的敌舰要么说不出名字，说得出名字的如旗舰“斯维尔德洛夫”号并未沉没，甚至未受重创。至于击毙苏军司令、参谋长、旗舰舰长云云，没有其姓名、军衔资料，苏联资料也没有反映，皆系捕风捉影，疑为掩饰作战惨败之辞。
凭心而论，沈鸿烈在三江口的布防仓促之际而成，大纵深、多层次设防，水雷、拦江铁索密布，已经难能可贵，而中国海军官兵的战斗意志也无可厚非。但是双方海军的实力差距过于悬殊，苏联人在实际战斗中只有三艘浅水重炮舰参战，却能在自己损失不大的前提下，几乎全歼驻防同江的五艘中国军舰，由此可见一斑。实际上，鉴于中苏关系的逐年紧张，早就有人建议在三江口和抚远（黑龙江和乌苏里江汇合处，哈巴罗夫斯克对岸）建设永久式要塞炮台，安放重炮、高射炮、探照灯、长波电台，配合水雷区，形成对江口的严密防护。但东北当局却过于轻敌，在没有充分准备的情况下，肆意挑衅，激起不必要的战端，三江口的战败理当由东北当局的决策人负责。
四、悲惨结局
10月15日，苏联驻哈尔滨领事馆被捕之苏联人员被东三省特别区法院判刑。19日当局以'有接济共党嫌疑'，对苏联远东银行实行监管。21日南京外交部电令驻德国公使蒋作宾中止与苏联谈判，这一系列事件对于苏军的全面进攻起了火上烧油的作用。
阿穆尔河区舰队司令Я·И·奥佐林少将由苏联远东特别集团军革命军事委员会授权，负责指挥进攻并消灭富锦一带中国军队。他把所辖的兵力编为两个组，第一组为突击队，由他亲自指挥，包括浅水重炮舰“红色东方”号、“孙中山”号，炮舰“红旗”号、“无产者”号、“布里亚特人”号，布雷舰“有力”号，装甲艇“巴尔斯”号和两艘扫雷舰，其任务是歼灭停泊在富锦的江防舰队残部。第二组由第二步兵师师长И·奥奴弗里耶夫指挥。该组编有浅水重炮舰“斯维尔德洛夫”号，炮舰“贫民”号和运输队的轮船，负责运载沃罗恰耶夫团和第五阿穆尔河团登陆，攻占富锦；另有“列宁”号浅水重炮舰，任务是掩护突击队，派遣水兵占领同江，并负责掩护舰队主力后方。
