第十軍、西北的第七軍，三個軍包括後勤十五萬人攜帶三百二十四門火炮、四百三十二挺機槍，從三個方向進入漠北平叛。
不甘示弱的俄羅斯在中國軍隊進入漠北後，也朝在漠北的韃靼志願軍派出了援軍。這些援軍不再是什麼韃靼人了，全是些深目高鼻的純種俄羅斯人，第四十一騎兵師、第二十二炮兵旅在六月一日從唐努烏梁海進入漠北，在他們後面跟著俄羅斯西伯利亞第一、第二軍九點八萬人。
俄軍進入漠北軍隊攜帶了一百四十八門火炮，機槍十二挺，雖然俄軍裝備的步槍是當時世界上很先進的一八八九式彈倉步槍，而火炮也是比較好的一九零零式七十六毫米速射野戰炮，可跟中國軍隊相比，在武器方面俄軍沒有佔到任何優勢。
人數方面，中國軍隊是俄軍的一點三六倍，火炮上中國軍隊比俄軍多二點一八倍，機槍上中國軍隊更是多出了三十六倍，俄軍唯一有利的就是當地那些喀爾喀王爺支援他們，還有中國因漫長的補給線，並不想將戰爭擴大到完全佔領俄國，只是將戰爭限制在漠北境內。不過在中國軍隊無法擴大戰爭規模同時，俄軍同樣深受運輸線過長之害，在運送十萬軍隊到漠北後，他的補給線無法再滿足更大規模部隊投入到戰場上去了。
為了漠北，中國軍隊與俄羅斯在大草原上展開了一場曠日持久的戰爭，戰鬥規模很快從旅級戰役擴大到軍級。到了一九零三年九月，入冬前在漠北大草原上，圍繞著烏里雅蘇臺，六萬中國軍隊與同等規模的俄軍及兩萬喀爾喀叛軍展開了一場大會戰。為了爭奪烏里雅蘇臺，在漠北其他地方還有七萬中國軍隊與三萬俄軍及一萬喀爾咯叛軍撕殺。
塹壕戰，草原上到處都是縱橫交錯的塹壕，從空中望下去，彷彿如一張巨大的蛛網將烏里雅蘇臺牢牢圍住，對任何一方來說，進攻都是一件噩夢般事情。會戰打了四個月，俄軍動用了兩百餘門火炮，而中國軍隊動用了各種口徑火炮三百餘門，戰場上整日濃煙滾滾，硝煙將太陽遮蔽起來，任何一次衝鋒都意味著數百生命化為飛煙。
零三年十月，中國軍隊在付出重大代價（中國軍隊傷亡一點三萬人，俄軍傷亡一點四萬）後，將烏里雅蘇臺與其他地方完全切斷了聯絡，八千叛軍，三點五萬俄軍陷入重圍中。
圍繞著被圍困在烏里雅蘇臺的俄軍，為了救援他們，將他們解脫出地獄，俄羅斯糾集敗退下來的軍隊，還有新成立的西伯利亞第三軍共九萬之眾從唐努烏梁海朝圍困著烏里雅蘇臺的中國軍隊發起衝擊，俄軍是不惜血本了。而中國方面在保留對城內守敵必要壓力同時，將絕大多數部隊調到外圍打援，拼了性命奮力阻擊敵人。
在機槍和大炮面前，俄軍的進攻到十二月底徹底破滅了，信奉“子彈是笨蛋，刺刀才是好漢”的俄軍在機槍面前屍橫遍野，三萬俄軍士兵倒在了通往烏里雅蘇臺的道路上，可他們距離出發地不過推進了三十公里，離烏里雅蘇臺還極為遙遠著呢！與俄軍重大傷亡比起來，處於守勢的中國軍隊傷亡就小很多了，八千將士血染沙場，同時新補充到前線的戰士有三千多因為不適應寒冷的氣候失去戰鬥力。但部隊並沒有失去戰鬥力，並且在俄軍最後一輪衝破防線的企圖破滅後，適時發起了反攻。喪失了進攻能力的俄軍在中方軍隊大反擊中潰退回出發地，十二月三十一日，新的一年即將來臨之前，俄軍任何援救烏里雅蘇臺的企圖均宣告破產。到零四年一月，彈盡糧絕的被圍俄軍放下武器投降，整個烏里雅蘇臺會戰以中方獲得最後勝利告終。
烏里雅蘇臺會戰是中國軍隊在建國後打的最為艱苦的一場會戰。中方先後投入二十萬軍隊（包括補充兵力），而俄羅斯先後投入到戰場軍隊達到二十五萬。戰鬥中中國軍人傷亡達到六萬，俄軍傷亡八萬，被俘三萬。對交戰兩方來說，這場戰鬥都讓雙方打的精疲力竭。
俄羅斯在烏里雅蘇臺戰敗後的第三天國內爆發了基輔、高加索工兵起義，起義雖然當天就被鎮壓下去了，可這卻對尼古拉二世敲響了警鐘。戰爭如長期化，恐怕用不著中國軍隊打到莫斯科，那些憤怒的群眾已經會將整個帝國投入到熊熊烈火中，徹底埋葬伊凡四世建立的偉大的羅曼諾夫王朝，為了王朝的延續，尼古拉二世不想再在漠北打下去了。
大規模的戰鬥同樣讓中國政府顯得疲憊不堪，這倒不是說國內有什麼反戰言論，——維護祖國領土完整，對任何一箇中國人來說這都是天經地義的事情——而是這場在漠北的戰爭耗費了國家大量人力、物力、財力，國家的發展需要大量資金，可現在那些金錢卻流水般滲入漠北沙漠，被沙子吸個乾乾淨淨，如戰爭擴