而另一侧的第25集团军在一开始就遭到第5军和第25军的坚决阻击，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，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”。
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队的处境。
由于担心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，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，双方重申了各项条款，外蒙古的主权重新归属中国。