事实证明，中国人的计策大获成功。几十架“零”式战斗机起飞截击，三架“快刀”轰炸机被成功溜进战场的日本战斗机击伤，但是参战日机却差不多都变成了西伯利亚草原上的一堆堆残骸。但“强大”的日本宣传机构却再次“重创”了中国空军，日方的报道称33架中国战斗机和12架“快刀”轰炸机被击落，却只字不提本方的惨重损失。看到日军基本丧失了防空能力，其地面部队的士气也低到极点，钟离卫决定扣下对西伯利亚驻屯军执行死刑的扳机。11月22日一早，大批东北军战机蜂拥而出，直奔早已经由侦察机踩好的点：因为后方补给线被炸得时断时续，日军不得不在前线建立若干临时弹药和油料补给点。这批后方日军冒死送来的宝贵物资在这天早上全都沦为了西伯利亚草原上绚烂的“焰火”。
地面上的东北军则以装甲部队作为矛头，轻而易举的击穿了日军的防线。滚滚向前的钢铁洪流势不可挡，所到之处的一切日军都化为了灰烬。日本陆军航空兵的战斗机部队这时候已经是非死即伤，孤零零的轻爆和几架重爆在机场残兵们的目送下踏上最后的决死航程，此情此景仿佛是数年后“神风”出击的预演。而这批轻爆队的下场也和“神风”类似，绝大多数年轻的飞行员没能冲过东北军空地联合支起的弹幕，极个别的战机使用了和地上日军相同的“肉弹”战术——撞击东北军装甲部队，可惜只是螳臂当车，根本不能抵挡卷着日军血肉前进的滚滚铁流。
在11月22日彻底的“清扫”之后，接下来的几天留给中国空军飞行员们的绝大多数是一些侦查任务，偶尔出现的轰炸任务成了各部队之间的“抢手货”，好不容易出现的目标被侦查的东北军战机顺手收拾掉之后，兴冲冲赶到的攻击部队不得不边骂娘边空手而回的情况成了家常便饭。到后来中国空军干脆偷偷溜到日本腹地“开荤”，当然这种严重不符合“据说”极为呆板的东北军教条的“自发”行为都是在上级领导默许甚至是教唆下发动的。11月24日，就有39架“快刀”轰炸机就在大批战斗机的护航下，“恰巧迷航”到苏克哈拉山附近，将两列日本火车和一大段铁轨炸成一片废墟。
此时的桑叶河战场已经没有“战线”的概念，只剩下了大批日军被东北军重兵集团包围在散落各处的坚固支撑点中，负隅顽抗。凭着天生的兽性和求生**，被围日军一次次发动毫无胜算的突围，面对东北军的坦克海、飞机海和炮海，日军这种行为与其说是突围，不如说是自杀。虽然日本陆军航空兵这时候也差不多要淹死的在空中中国战机的海洋中，但日军战机还是每天冒死起飞，试图去为地面日军提供一点帮助和希望。
驻东西伯利亚的日本陆军航空兵此时已经精锐丧尽，对前线战况彻底失望的日本陆军航空兵高层拒绝向桑叶河派出新锐战机和补充部队。东西伯利亚地区的日本陆军航空兵不得不搜罗一切可以飞的东西，将它们推向战场，这种两代战斗机之间的对战，结果不言自明，这些日本飞机被大队“饥肠辘辘”的中国空军战机围追堵截最终被打成一团火球的情景迅速成为桑叶河上空的着名景观。
看着机场上的残骸，看着编制表上一个个被划去的名字，难以忍受的巨大损失彻底压垮了驻东西伯利亚日本陆军航空兵。11月底，日本陆军航空兵本部收到驻东西伯利亚日本陆军航空兵的兵力报告，称他们还有160架左右可以称为“飞机”的东西，其中绝大多数不能立刻升空迎敌。钟离卫得知这个消息后一脸的冷笑，这位将军的脾气火爆，泛起坏水来也相当可怕，越来越多的日本战机成为草原上的一滩破烂。
月31日，钟离卫正式向北京报告，所有越过中西伯利亚国境线的日本部队已经全部被消灭。在后期对日军坚固支撑点的攻击中，中国东北军蒙受了本不应当承受的巨大损失，困兽犹斗的日本人的凶狠顽强超过了中国东北军高层将领们的想象，而北京的“限期全歼”命令迫使钟离卫作出的强攻的决定。
当明白除非投降，否则再无生还希望之后的日本军队竟然从被围初期的惊恐中沉静了下来，他们变成了一群手拿武器的僵尸大军，再没有一丝恐惧、怜悯或者其他正常人所应该有的感情。面对这样一群相信“以不死之心战者生（死なんと戦えば生き，上杉谦信最有名的话之一，抄自《吴子》）”的怪物，天上的战机、怒吼的火炮乃至奔横冲直撞的钢铁巨兽都失去力量，唯有用东北军士兵的血肉变成巨大的磨盘，去一点点磨掉日军的意志和生命。
面对巨大的伤亡，钟离卫没有宜将剩勇追穷寇，而是将本可以滚滚向前冲过边境的钢铁洪流硬生生钉在了桑叶河战役开始前的实际分界线上。他之所以这么做，是因是远在千里之外的中国另一侧边界上发生了新的变化。随着土耳其的沦陷，苏军已经开始大量的东调，这时候的中国民众还不知道真正的战争就要到来，但北京却清醒的意识到，土耳其的迅速沦亡将使苏联和中国的决战很快爆发，浓重的战争的阴云正在中国的西部边疆上空聚集。在这种山雨欲来风满楼的情况下，北京需要在东方获取哪怕只是片刻的宁静。
虽然战场上的喧嚣日渐平静，另一条战线上的宣传战却刚刚开始。日本方面面对一个世人皆知的满盘皆输的结局，竟然恬不知耻的宣布共击落2260架中国飞机，中国官方口中的中国空军战绩则差得多，他们认为自己共消灭了1246架日本战机。当然，这不过是五十步笑百步的大话竞赛而已，如果双方吹出的牛皮都是真的，那么中国和日本双方在正常桑叶河战役中投入的空军力量都是不够被对方击落的。双方公布的损失则都打了不少折扣，中国方面宣布从1942年7月到11月共有251架战机坠毁或失踪，而日本方面则只承认162架战机损失。
桑叶河的空中作战对中国和日本空军在二战前期的发展和表现都影响巨大。为了应付灵活的中国战机，日本在前期研制装备的战机在机动性方面都极为出色，其航程也令美英等国极为惊讶。但是由于东北军后来参战的新式战机的火力空前强大，日本方面及时发现本方战机在防御力和机体强度方面的问题，重新走上了正轨。而日本陆军航空兵在战争初期成功的对地支援，使得日军积累了足够的近距离空中支援方面的经验，对这些经验的吸收消化使得日本的轻爆和重爆部队战斗力在后来有了极大的提升，令战场上的盟军部队吃尽了苦头。中国则看到了高速轰炸机的卓越表现，更坚定了“轰炸致胜”的看法，以至于后来出现了将日本本土炸成火海的“空中舰队”。
此外，由于中国和日本都将航空工业参考系选成了技术水平相对落后的对手，因为对自身的发展水平都产生了一定的错误的认识，当日本在太平洋面对研发能力异常强大的美国人时，当中国在东线碰上技术先进，在德国人的帮助下技战术水平都达到巅峰的苏联人时，这两个亚洲大国都注定要陷入新的浴血奋战。
桑叶河空战的最大意义就在于，天空被鲜血染红的恐怖景象对于中日双方来讲都已经习以为常，而这才是老兵们最可怕的地方，他们不害怕死亡，却害怕被遗忘。
面对多次进攻的惨败，西伯利亚驻屯军并不服气，战争赌注，越下越大，投入战场的兵力和装备也越来越多。‘
为了弥补战场兵力的不足，西伯利亚驻屯军司令部小松原中将又调来第1**守备旅团级，东西伯利亚区步兵第14旅团、骑兵第3旅团。石原混成旅团等部队，使桑叶河前线小松原中将指挥的各军兵种兵力达到了18万人。
为了弥补火力的不足，西伯利亚驻屯军司令部从东西伯利亚内地调来了野战重炮第5联队，**野战重炮第7联队，重炮联队声旅顺重炮兵第3旅团。加上已有的各种炮兵部队，桑叶河前线日军已有重炮、野炮重迫击炮、各式山炮速射炮、高射炮共计1238门。
为了弥被反坦克武器的不足，桑叶河前线所有日军步兵中队中，都组织了“肉弹攻击班”，也就是用人抱着**扑向坦克。与坦克同归于尽。因为日军坦克从数量、质量上都不如东北军，坦克不足“肉弹”弥补，是西伯利亚驻屯军在战场上的一大发明，坦克毕竟造价昂贵，而“肉弹”来得便宜，又能体现所谓的“武士道”精神。
在兵力、装备准备完全后，日军制订了以炮战为主，而后步兵从两翼进攻的总攻方案。
1942年11月27日，天气晴朗，红日初升，日军70多里的战线上军旗招展，各个联队遥遥相望，等待着总攻的命令。
午前6时，日军轰炸机和战斗机58架，首先飞临桑叶河上空，对两岸东北军阵地轮番轰炸扫射。同时，在日军重炮阵地上空升起了数个灰色长圆形的观测气球，每个气球下边的吊篮里，3名炮兵观测军官操纵着炮队镜在寻找着西岸台地上东北军重炮阵地。
6时30分，日军首先以野炮群发炮，引诱东北军重炮还击，以便目标发现后，再针对过去观测的目标进行修正，然后以重炮给东北军炮兵以毁灭性轰击。
第二炮群的野炮，集团轰击了一个小时，东北军炮兵是否入了圈套，炮兵指挥官们还看不出来。到了7时30分，又引诱轰击了30分钟，西岸上炮兵阵地仍无反应。内山少将等得有些不耐烦，命令两个炮群在8时，作全效率攻击射击，并建议小松原中将命令步兵于午前10时整发动进攻。10时师团长的出击令传达到了各联队以至各个大队。
8时整，日军全部大炮一齐射击，重炮联队的口径160毫米长60厘米的弹头，从步兵后方十几公里的阵地上飞向桑叶河西岸，吼声如雷，地动山摇，震撼着草原大地。各师团的山炮、迫击炮、步兵炮也同时助射发威。从开战到现在，日军从来没有动用过这样大规模的炮兵，在日本陆军战史上，这也是空前的第一次。内山少将能同时指挥着338门野战重炮和472门野炮进行齐头并射，其心情的兴奋是可想而知。日军炮兵阵地上热火朝天，人马繁忙，阵地上的炮弹壳堆积如山，滚动着的灼热的弹壳，黄闪锃亮，摸来烫手。炮手们满身是汗，大声喊叫着将炮弹推进弹膛内。桑叶河西岸台地上，一处连一处升起了黑烟，西岸斜坡上的汽车和装甲车，成群的往台地后坡驶去，乱轰轰的一片。从观测气球传来消息，东北军炮兵至目前最少被消灭了10处主要阵地；东北军大炮正用牵引车拖着在变换阵地；很多炮兵中队的炮兵被打成哑巴，不能回击。总之，效果显着。
内山少将命令：炮火延伸射击，炮击延长一小时，也就是说步兵在11时发起冲锋。
午前10时；东北军的数架“披毛犀”重型战斗机低空飞行，在离地面仅数米沿着沙丘起伏棱线，直奔日军的各个观测气球冲去。一通机枪扫射，一个个气球在“嘭嘭”的声声爆炸中，如同一只只硕大的火球，附向草原，大片的碎片冒着烟火在空中飞舞。吊篮上的日本观测军官早被机枪打死，随着观测气球爆炸后，日本炮兵顿时变成了瞎子，停止了射击，好长时间后才在地面观察哨的间接观测计算中，重新喷吐着炮火。炮群整整射击了一天。
成千上万吨的钢铁倾泻在西岸台地东北军炮兵阵地上了。弹药上的一次消耗在日军战史上是惊人的。可是，东北军的炮兵并没有明显的削弱，中午过后，东北军大炮在转移到新的放列阵地后，开始反击。炮弹如同倾盆大雨，而且越打越猛，使得内山少将无比惊讶，纳闷东北军怎么有这么多的大炮，难道日军炮击并没有获得预期效果?从一天中的炮战判断，东北军大炮每门发射量，最少也有四五个基数，可以推断东北军弹药储备相当充分，而且火炮性能良好。
这一天，日军第2飞行军团轻、重轰炸机，每6架一组，约120架飞临桑叶河上空，东北军地面上的6个高射炮团的l00余门高射炮奋起迎战，炽密的高射炮弹飞向高空，散发着千万朵白色的弹花。100余架中国飞机也迎面飞来，双方飞机在桑叶河上空穿梭般地战斗着，日军第2飞行军团的飞机被击落34架，狼狈逃走。
在当天炮击前，日军各步兵大队已接到在午前10整全体出击的命令。后来内山少将临时决定炮击延长一小时，步兵出击改在11时，由于双方炮战激烈，阵地上到处落着炮弹，各联队与各大队的通讯时断时续，电话线被炸成碎段。为了修复，成班的电话兵被炸死，有的大队从炮击一开始就与联队失掉联系。因此，延长一小时出击的命令，一些步兵大队和中队并不知道。
10时整，也就是双方炮战白热化时，最前沿的几支日军主攻部队跃出了战壕，喊着“万岁！”向岸边东北军阵地冲锋。这样一来，冲锋的步兵不单受对到面东北军的炮火和机枪的轰击扫射，而且也遭到自己后方飞来的野炮炮弹的轰炸。步兵第72联队第5大队就是10时整在弹片纷飞如雨的情况下冒死冲锋的。10时30分日军冲上东北军的阵地时，全大队1000人只剩下100多人。东北军是退下去了。第l大队占领了阵地，但是却遭到自己后方炮群的集中轰击，几乎全队毁灭，酒井联队长捶胸顿足，痛哭自己联队的无谓损失。又咬牙切齿地大骂炮兵少将内山，发誓要将内山送交军法会审判。内山少将万没想到他在炮击中的临时动议延长一小时，会给步兵造成这么大的损失。但是，身为总攻的前线指挥官小松原道太郎又何尝考虑到炮轰中通讯可能被切断，而不能在已经开始了的行动中又临时更改已下达的命令。有经验的指挥官是不会同意内山少将的延长一小时炮击的决定的。所以，责任主要在小松原中将。