12日下午，从图拉水域偷渡到对岸的东北军第30军被苏军第五十七集团军的搜索部队发现，双方随即爆发了激烈的遭遇战，枪林弹雨中，第303步兵师的王师长被流弹击中头部，成为东北军对苏开战以来阵亡殉国的第六位师旅长级的高级军官，副师长徐栋上校旋即顶替了师长的职位，率部继续与苏军展开浴血奋战；14日清晨，第101重装甲师和第250轻装甲师以及两个后续的摩托化步兵师全部通过了乌斯季赫梅列夫卡浮桥，各部立刻沿着河流北上，在与第30军汇合后，两部猛地斜插进了死守在基洛沃和莫洛佐沃地区的苏军与新西伯利亚城的联系。
接到第五十七集团军司令员尼基舍夫上将的火速报告后，巴甫洛夫大将仍然没有命令前线部队撤离那片危险区域，他满脑子认为东北军的进攻部队已经筋疲力尽成为了强弩之末，而且补给线拉的很长，正是己方进行反攻的机会，因为固执地不断命令即将被围困的部队“绝不后撤一步”。但随着时间的推移，整个东北军第一〇一重装甲师以及第15装甲军、第30机械化军、第20机械化军都在17日都已经渡过了鄂毕河，死死地掐在了苏军的咽喉上。东北军的空军运输机联队昼夜不断地向河西的东北军部队空投物资和补给。苏军被拦腰斩断，其南部的阻击部队也全部陷入了东北军的包围中。
这时才深知不妙的巴甫洛夫大将方如梦初醒，但是前沿部队俱已深陷重围，无法撤出来了。被围的部队此时只有几条羊肠小道式的走廊可供撤退，所有的通道都被东北军给堵死并在东北军飞机的轰炸中。噩耗传来，巴甫洛夫大将顿时冷汗如雨：“如此一来，前沿的三个集团军岂不是都要全军覆没了？”
方面军副总参谋长科兹诺夫中将建议派出后延部队大规模地突袭东北军的右翼和后方，扰乱东北军的部署并牵制住其进攻兵力，从而减轻被围部队的压力，继而集中优势兵力与被围部队共同击破东北军的包围圈。
面对这个正确的建议，巴甫洛夫大将却害怕再搭进去更多的部队，因为这样他会面临克里姆林宫更加严厉的惩罚。他不敢釜底抽薪，只敢扬汤止沸，因而只派了两三个师的部队去“象征性”地执行袭扰和突击计划，这对东北军的打击和战局的影响显然是微乎其微的。
参战的东北军第五装甲集团军和第十集团军一边继续勒紧套在被包围的苏军脖子上的绞索，一边全力阻击着苏军后延部队的增援，一边清剿着苏军进行袭扰突击的部队，但仍然再次取得了巨大的成功。至5月19日，被围困的苏军第五十三、第五十六、第五十七集团军接连遭到了覆灭，积满薄冰的河面上、泥泞不堪的沼泽地内、杂草丛生的荒野上，苏军的尸体堆积如山，除了少数部队突出重围外转入游击战或逃入新西伯利亚城内外，大部分的苏军在医药匮乏和弹药耗尽的极端困难情况下停止了抵抗，总共三十三万余苏军被歼灭或向东北军缴械投降，六名将级苏军军官战死，还有600多辆坦克和装甲车被东北军给摧毁，随后的几天内，龙中将指挥部队对占领区域进行反复的清剿和扫荡，又歼灭了两万余苏军残部。守卫新西伯利亚的苏联中亚军区东方方面军一下子损失了超过一半的军力和重武器。5月25日，稍作休整后整装完毕的东北军第五装甲集团军、第十机械化集团军以及随后赶赴而来的由何柱国上将指挥的第一机械化集团军开始兵临新西伯利亚城下；而西路集团军群的第七集团军则在冯占海中将的指挥下，专心致志地扫荡起了从西疆到新西伯利亚之间的东北军占领区内的苏军游击队和漏网抵抗分子，以确保已经绵延长达一千多公里的后勤补给线的安全。
与东北军在新西伯利亚南部取得大捷所遥相呼应的是，德军在乌克兰的基辅战役也是捷报频频、战果辉煌。5月27日，古德里安上将指挥的德军“帝国”装甲师和“骷髅”武装党卫军装甲师一起攻占了交通重镇——乌代河畔的普里卢基，切断了基辅苏军的后撤道路；5月29日，德军南方集团军群和中央集团军群取得了基辅会战的全面胜利。由于斯大林采取了愚蠢的“固城死守”和逐次增兵的添油战术，使得基辅大包围圈内的苏军遭到了前所未有的毁灭性损失，守城苏军的第五、第二十一、第二十六、第三十七、第三十八、第四十集团军的大部或全部尽被歼灭，超过60万的苏军被俘，坦克、飞机、大炮等重装备的损失更加是不计其数，基尔波诺斯大将、霍缅科上将、科尔帕奇科中将等十多名高级将领战死，号称“东欧粮仓”的乌克兰70%以上地区尽皆沦落入德军之手。在基辅战役和新西伯利亚战役期间，苏军各大军队部队遵守斯大林和苏军最高统帅部“全面出击”的命令而进行了不同程度的反击，但这种自寻死路的反击在轴心国军队强大的陆空联合火力的打击下，苏军自然再次遭到了一系列的重创和巨大损失。
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