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到4月3日，在东方方面军右翼，只有机械化第6军从比亚韦斯托克出发，行进60公里到达进攻出发地域，然后在方面军航空兵和远程航空兵第3军的支援下发动了反击。但由于地面部队与航空部队在进攻上缺乏协同，航空部队未能给地面部队提供空中掩护，结果苏军在华军第2航空队强有力的空袭下损失惨重，进攻一败涂地。直到当天中午，苏军的2个机械化军付出重大牺牲，才勉强挡住华军第9集团军的进攻。
在第10集团军地带内，苏军当日取得的唯一胜利只有隶属于该集团军的骑兵第6军（军长尼基金少将）夺回了一座被中国人占领后又主动放弃的城市洛姆查。作为代价，该军所属的骑兵第36师，在沃尔克维斯克附近遭到了中国飞机的猛烈空袭，蒙受了很大的损失。当天，在同一地域，负责西伯利亚特别军区筑垒地域的副司令员米哈林少将被来袭的中国飞机当场炸死。
面对极为不利的形势，回到司令部后的巴甫洛夫大将无疑是沮丧的，但这位曾经在西班牙用****阻止士兵后退的将军仍要做出努力。当晚20时05分，巴甫洛夫向第10集团军（机械化第6军在其编成内）发出了一份措辞严厉、语调急促的密码电报：“机械化军立即行动起来，不要惊慌失措，而要指挥。应当有组织的打击敌人，而不是无指挥的乱跑。”
按东方方面军新的指示。博尔金集团应该在第3集团军的配合下夺回鄂木斯克，其余各部队则应尽一切努力阻止华军的前进。为此巴甫洛夫将方面军第2梯队的第13集团军也投入了这一地域的战斗。这个集团军（司令员菲拉托夫中将）在战争爆发时尚处于组建阶段，其部队都是从东方方面军的预备队中临时抽调出来的。巴甫洛夫所没有意识到的是，他的这一决定将导致东方方面军纵深地带兵力的空虚。从而为中国装甲部队的长驱直入创造条件。
尽管东方方面军下达了严厉命令，并且派出了增援部队，但是到了4月4日，博尔金少将指挥下的机械化第11、6军仍然未能顺利地进行反击。这2个机械化军在战争开始时有1258辆坦克，但缺乏炮兵和运输车辆。在对华军第9集团军步兵第20军阵地的冲击中，没有炮火支援、步兵掩护的苏联坦克遭受到了巨大的损失，并且消耗掉了为数不多的弹药和油料。而前来增援的第13集团军步兵第21军却撞上了华军第3装甲集群的装甲第12师，结果在华军坦克部队的打击下步步后撤。不幸接踵而来。部队被打散了，当然，现在也就谈不上什么反突击了。
实际情况是，曾经被寄予很大希望的东方方面军右翼反击。进行到这个时候，除了遭到巨大的打击而损失惨重外，几乎没有取得任何成果。
在东方方面军左翼，从4月3日开始，从边境地区撤退的苏军第4集团军机械化第14军和步兵第28军对进攻的华军第2装甲集群也进行了反击。在这个军的编成有520辆旧式坦克（到这时已经损失了很多）。没有“t－34”和“kv”等新式坦克，而且全军在组织上已经陷于混乱。与之相比，中国第2装甲集群在战争开始时拥有955辆坦克，其中85毫米炮的“行者”坦克135辆。装100毫米坦克炮的“行者”坦克381辆，装100毫米炮的坦克歼击车和指挥坦克216辆。中**队在坦克数量和质量上都占有很大优势。更不用说他们还牢牢的掌握着制空权。
但苏军的反击是极为坚决的。在激战中，甚至有几辆苏联坦克突入了华军第17装甲师的野战指挥所。当时在这个指挥所里。不仅有装甲第17师师长杜玉明中将，而且还有前来巡视战场的第2装甲集群司令官林毓英陆军上将和摩托化第47军军长戴安岚上将。好在这些人都富于战斗经验，在苏军坦克射击的瞬间能够及时卧倒，否则华军第2装甲集群的首脑真的有可能被一举歼灭。当天，林毓英共遭遇了两次苏联坦克，但都大难不死。
在地面战斗进行的同时，苏联航空兵也在不利的条件下尽其所能地进行顽强的战斗。甚至连林毓英的司令部都遭到了他们的袭击，但如上文所述，当时幸好林毓英本人并不在自己的指挥部里，所以又逃过了一劫。不过不知为什么，苏联人在当时却在广播中宣称已经击毙了林毓英。同一时期，第2装甲集群编成内的骑兵第1师（实际上只是一个靠马来运动的步兵师，几乎没有乘马作战的能力）在红军的空袭中也遭到了不小的损失。
除了坦克、航空部队外，苏联红军的步兵部队也极为积极顽强地向行进中的第2装甲集群发动冲击。按德方的记述，缺乏炮火掩护的红军步兵，总是一波又一波的排着散兵线，端着步枪冒着华军机枪迫击炮的猛烈射击，发动英勇而无效的反冲击。在华军阵地前，布满了苏军的尸体，而新的步兵冲击却持续不断。在付出极为巨大的代价后，苏军的冲击似乎取得了一点效果。在4月4日出发投入交战的第13集团军第47军甚至一度打退了第2装甲集群的先头部队，但他们也只是在很短的时间里挡住了中国人的攻势，而这却不足以挽回苏军全线失败的局面。
从4月3日夜开始，东方方面军司令部与属下各集团军的联系差不多完全中断，方面军司令员巴甫洛夫有时只能通过空中侦察和中国人的广播来确定他属下的各部队的方位，方面军所属各部队陷入各自为战的绝