二次掌骨峰之戰打響不到半個月，近衛軍損兵折將已克、裝甲車、飛機、野戰炮等技術兵器損毀過半，俄軍隱隱感到中國軍隊並不像莫斯科所想的那麼好對付，於是破釜沉舟，決定動用珍藏的遠程重炮部隊。7月15，近衛軍的炮兵聯隊紛紛忙碌起來（包括駐旅順的守備炮兵），重型履帶牽引車吭吭哧哧地將一門門炮管碩長的加農炮從洞庫中拖拽出來，近衛軍拿出了全部家底。
723，俄軍1200門大口徑火炮一起開了火，整個掌骨峰戰場火光沖天，整個炮擊時間長4小時，如此大規模、長時間的炮擊，據記載為俄羅斯陸軍史上首次，近衛軍這次要砸鍋賣鐵拼老命了。不過新一代的俄羅斯炮兵從未受過超遠程射擊訓練，也從未經歷過飽和射擊，雖打得熱火朝天，但前沿傳回消息說效果並不好，精度尤為不夠。反觀中國軍隊一直都在積極練兵，在老兵的傳幫帶下，中國軍隊的水準是各個國家中保持的最好的。
戰至中午，炮群一口氣打出了近三十萬發炮彈，這種消耗在俄軍戰史上是驚人的，照這樣打下去要不了幾天近衛軍就得破產。更令近衛軍惱火的是重炮相繼發生故障，多門重炮炮架折斷，炮身過熱、膛炸、炮管燒蝕等事故層出不窮。俄國的鋼鐵工業無法生產出足夠強度的鋼鐵，而且也沒有足夠數量的炮兵，重炮炮兵就更加稀少。
下午。隱蔽了半天的地中國軍隊炮群開始反擊，大量炮彈發出令人恐懼的呼嘯聲，暴風驟雨般砸在了俄軍炮兵陣地上，陣地頓時成了一片火海。面對中國軍隊排山倒海般的打擊，俄軍還擊的火力近乎於呻吟，步兵甚至請求旁邊的炮兵千萬不要還擊，以免招來更猛烈的打擊。俄軍記載：「中國軍隊的還擊遠遠超出預料，密度之大、持續時間之長是從未見過的，陣地被黑雲一般的煙塵覆蓋，能見度只有兩三米。濃煙遮住了視線，到處是傷員、屍體和損毀的兵器，無一處完好地炮位。」中國炮兵的攻擊時間比俄國人要長，這說明在鋼鐵製造方面，俄國人已經遠遠落後於中國，一天的炮戰之後。俄軍已毫無還手之力。驕橫的俄軍垂下了頭，炮兵決戰又輸了。
既然空、坦、炮方面接連失敗。
俄軍只好又回到步兵「隱蔽衝鋒」——即隱蔽在某個反斜面上，這是日俄戰爭時的老套路。入夜後。數萬名俄羅斯步兵一起衝出了掩體，端著刺刀吶喊著發起了集團衝鋒。一時間俄軍歇斯底里的叫喊聲響徹了整個掌骨峰夜空。令人毛骨悚然。月光下，幾萬把閃亮地刺刀明晃晃地折射出一股凶殘地殺氣，近衛軍的眼睛都紅了。
當俄軍衝到中國軍隊陣地前沿時。中國軍隊突然打開了車載探照燈，幾千發照明彈也先後升空，暴露在強光下地俄軍還沒明白過來怎麼一回事，就成片成片地被打倒了。在指揮官帶領下，俄軍繼續不顧死活地衝鋒。多年的軍國主義教育和受「武士道」精神地影響，使俄軍普遍有一種亡命徒似的作風，但亡命徒式地勇敢並不能改變其失敗的命運。據戰後統計，近衛軍連續幾次大規模夜襲作戰，共傷亡5000人；中國軍隊僅陣亡263，防線後縮2—3里。觀戰的德國武官目睹了俄軍這些瘋狂地舉動後，瞠目結舌，給國內發回的報告中稱俄軍的戰術水平至多處在第一次世界大戰初期。
掌骨峰的戰事持續了3多月，俄軍雖一再受挫，卻絲毫沒有退意，一切跡象表明，繼續防禦無法遏止俄軍的瘋狂意圖，連續的勝利使中國軍隊士氣高漲，該大反攻了。中國軍隊總參謀部決定總攻時間為8日（星期天），因為按照慣例，俄軍前沿部隊的軍官有半數要輪流到烏拉爾去休假。進攻的命令20日凌晨245傳達到一線連隊，對面俄軍陣地一片沉寂，中國軍隊反攻做到了最大的突然性。
總攻第二天，中國軍隊兩翼包抄的裝甲部隊順利會師，完成了對俄軍的分割包圍。同時，強大的炮火和密集的轟炸將俄軍所有前沿炮兵陣地、觀測所、通訊站完全摧毀。第203兵旅突襲敵後，成功地切斷了俄軍的補給線，俄軍已成甕中之鱉。
不肯認輸，怎麼也不願相信堂堂的「大俄羅斯皇軍」令部隊立刻反擊，不能坐以待斃。（從總體上說，俄羅斯軍隊的作風二戰時期應該算頑強的。在俄羅斯宣佈投降前，幾乎沒有成建制繳槍的部隊，這是俄軍惟一可以標榜的一點資本。）
824凌晨，反攻部隊紛紛從坍塌的工事中爬了出來，等俄軍完全脫離了陣地之後，中國軍隊的炮火鋪天蓋地般打了過去，無處躲藏的俄軍傷亡慘重。一天的反擊中，俄軍僅僅前進了不足兩公里，但傷亡卻是可怕的。有些地方屍體多得摞在了一起，讓人無處下腳。俄羅斯戰史記載：左翼進攻部隊只剩下7名軍官和87名士兵，空軍大隊長右腿被打斷，險些讓人踩死；右翼進攻部隊中了中國軍隊埋伏，羅迪格爾上校率隊衝鋒被打成了「篩子」。近衛軍的瘋狂反擊失敗後，防線全線崩潰，中國軍隊追擊到鐵木嶺一線停了下來，殲滅近衛軍主力目的已基本達到，趙剛並不想過於打擊這頭大熊，他更多的目的在於向俄國人顯示力量，。
掌骨峰前線的俄軍最後僅剩400人，整建制跑出來的只有騎兵聯隊百十人。近衛軍司令官植田謙吉辭職，前線總指揮巴勃羅夫斯基中彈身亡。整個掌骨峰戰爭期間俄軍損失了近50000，步兵第23整編師、第7編師、和第1坦克整編師幾乎損失殆盡，11個特種兵聯隊徹底喪失了戰鬥力。高級軍官的傷亡也是空前的，俄羅斯報紙哀歎：「大量高級軍官如此集中的傷亡是二戰以來從未有過的」。
93日，近衛軍停止了一切戰鬥行動。莫斯科肯罷戰的原因一方面是前線已無可用之兵，一方面緣自《蘇德互不侵犯條約》的簽訂。俄羅斯政府顏面盡失，內閣只好宣佈總辭職。在這次戰爭中，俄羅斯不僅軍事上一敗塗地，政治上也輸得精光，成了國際舞台上一個令人恥笑的跳樑小丑。不久，「西進」派漸佔上風，莫斯科重新調整國策。俄羅斯從此將目光移向了東歐，那裡曾經是大俄羅斯帝國的勢力範圍，而現在正在等待俄羅斯的召喚。
「這是一場陌生的、秘而不宣的戰爭」，19357月20日，《萊茵早報》的社論這樣評價中國野戰軍和俄羅斯軍隊在烏拉爾山脈的這場苦鬥，萊茵早報不屑一顧地嘲諷道「（他們）在人們注意不到的世界角落裡發洩著憤怒」。直到兩年後俄羅斯人的炸彈劈頭蓋腦地扔到了馬賽港，德國人才明白過來，恰恰是他們認為無關緊要的一戰改變了俄羅斯的作戰對象，恰恰是他們根本瞧不起的粗魯北方人給了他們致命一擊！德國人為自己的驕傲和輕心付出了慘重的代價。
麻省理工學院的洛倫茲教授曾說過：「亞洲腹地的一隻蝴蝶扇了扇翅膀，或許幾周後能引起南太平洋的一場風暴。」在軍事和政治領域，許多重大歷史事件的起因可能微乎其微，但產生的「蝴蝶效應」卻令人瞠目。掌骨峰戰爭便是典型的一例，當初誰能料到亞洲腹地一場不起眼的邊境衝突，會為軸心國的最終失敗埋下伏筆。
從政治意義上看，此戰不僅沉重打擊了俄羅斯軍國主義囂張的侵略氣焰，而且使俄羅斯被迫將「東進」侵蘇的國策改為「南下」襲美，中國從而避免了與俄、美兩線作戰的不利局面，可以集中力量打擊美國。在後來的戰爭進程中，也可以明顯的看出，由於中國一直面對一個國家美國作戰，所以一直都是佔據著明顯的上風，而俄國人則與德國人血戰到底，自始至終沒有抽出擊中國……掌骨峰戰爭後，一貫驕狂的俄軍對中國軍隊產生了心理障礙，俄羅斯國內上下都明白了中國的強大，再也沒有信息與中國再戰之心，莫斯科最終決定調轉槍口襲擊德國，不久俄軍便開始大踏步西進，將坐山觀虎鬥的德國拖下了水，使力量對比發生了根本變化，從而給中國帶來了最好的果實。可以說，掌骨峰戰爭是三戰早期最精彩的一個伏筆，從這個戰役開始，歷史的風雲開始了劇烈的變動。