周森紧张地站在师指挥部，看着手表上的指针，一分一秒地走过。
凌晨5时整，随着老头子的一声令下，“堡垒”战役正式打响！
在中央集团军100多公里的正面上，18000门加农炮、榴弹炮和火箭炮同时轰鸣，猛烈的弹雨给了毫无防备的苏军当头一棒。
空军各轰炸大队和驱逐大队重点攻击库伦城外的第8近卫集团军和第5集团军阵地，使这部分苏军在国军发起进攻前无法组织有效防御。
出于保护库伦城区的考虑，国军主要驱逐城区外苏军，而以整三十八师和空军火力封锁库伦外围。
库伦城内的切尔尼亚霍夫斯基和红旗第1集团军眼看城外苏军一败涂地，迫切地想要出城支援。
由红旗第1集团军参谋长艾斯克勒罗夫艾斯克洛维奇伦纳迪尔多夫中将亲自指挥的数次突围均被周森指挥整三十八师给打回去了。胜利者转眼间变成了受困城中的孤军。
此时，中国西集团军和中国东集团军轻易突破了当面的苏军第57集团军和第65集团军的防线，插入苏军背后，对溃退的近卫第8集团军和第5集团军形成合围之势。
至中午时分，切尔尼亚霍夫斯基的司令部才恢复了同苏军各集团军的联系，搞清楚了方面军当前的窘境：除红旗第1集团军困守库伦以外，新西伯利亚方面军下属各集团军均被驱逐至距库伦30公里以外，且一半部队遭国军合围，另一半则损失惨重。
方面军直属的空军第9集团军在飞机数量上同国军8个大队不相上下，但是部分于夜间被国军飞机炸毁在机场，部分于国军突击时被俘获，现在已彻底失去了夺取制空权的能力。
苏军不仅损失了大量士兵，也失去了一些高级指挥人员，近卫坦克第5集团军军事委员乌里扬诺夫在混乱中亲临火线，试图再次组织督战队，然而却遭流弹击毙，反而加速了集团军的崩溃。
切尔尼亚霍夫斯基于库伦城内试图挽回败局，因而命令担任后卫因而建制完好的第25集团军和第35集团军对国军实施反突击，救出位于包围圈内的近卫第8集团军、第5集团军、机械化第10军以及库伦城内的红旗第1集团军。
这时，苏军已能够对国军的反攻做出应对：遭受重大伤亡的近卫坦克第5集团军、近卫第7集团军退往托木斯克重整。
第57集团军、第65集团军就地构筑防御工事，防止国军进一步突击，扩大包围圈范围。
第25集团军、第35集团军组成的苏军反突击集团向国军包围圈发起进攻。
而且，苏军的反突击取得了一定的成效：第35集团军先头部队第39步兵军突破国军东集团军新编第6军的防线，同机械化第10军会合。
然而，机械化第10军是唯一一支被成功解救的苏军部队。
正当第39步兵军试图同近卫第8集团军接触时，同周森指挥的整三十八师遭遇并发生激战。
第39步兵军不但未能再前进一步，反而被整三十八师在战线多处实现突破，突破纵深最深达12公里。
此时，国军总司令部已发现此处险情，紧急调遣空军3个轰炸大队协同整三十八师反攻。
傍晚，为防止解围不成反而陷入包围，第39步兵军军长肖伍霍夫斯特诺耶维奇黄斯洛夫少将被迫指挥部队撤退。
而另一侧的第25集团军在一开始就遭到国军第5军（军长邱清泉中将）和第25军（军长黄百韬中将）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，国军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”（撤离库伦的别洛鲍罗多夫语）。
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”战役以国军的彻底胜利而告终。
这场库伦周边的战役，极大地改善了外蒙古中国军队的处境。
由于担心国军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，国军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《中苏和平条约》各项条款，外蒙古的主权重新归属中国。