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到4月3日，在東方方面軍右翼，只有機械化第6軍從駐地出發，快速行進60公里到達了進攻出發地域，然後在方面軍航空兵和遠程航空兵第3軍的支援下發動了反擊。但由於地面部隊與航空部隊在進攻上缺乏協同，航空部隊未能給地面部隊提供空中掩護，結果蘇軍在華軍第2航空隊強有力的空襲下損失慘重，進攻一敗塗地。直到當天中午，蘇軍的2個機械化軍付出重大犧牲，才勉強擋住華軍第9集團軍的進攻。
在第10集團軍地帶內，蘇軍當日取得的唯一勝利只有隸屬於該集團軍的騎兵第6軍（軍長尼基金少將）奪回了一座被中國人佔領後又主動放棄的城市。作爲代價，該軍所屬的騎兵第36師，在進攻途中遭到了中國飛機的猛烈空襲，蒙受了很大的損失。當天，在同一地域，負責西伯利亞特別軍區築壘地域的副司令員米哈林少將被來襲的中國飛機當場炸死。
面對極爲不利的形勢，回到司令部後的巴甫洛夫大將無疑是沮喪的，但這位曾經在西班牙用手槍阻止士兵後退的將軍仍要做出努力。當晚20時05分，巴甫洛夫向第10集團軍（機械化第6軍在其編成內）發出了一份措辭嚴厲、語調急促的密碼電報：“機械化軍立即行動起來，不要驚慌失措，應當有組織的打擊敵人，而不是無指揮的亂跑。”
按東方方面軍新的指示，博爾金集團應該在第3集團軍的配合下奪回鄂木斯克，其餘各部隊則應盡一切努力阻止華軍的前進。爲此巴甫洛夫將方面軍第2梯隊的第13集團軍也投入了這一地域的戰鬥。這個集團軍（司令員菲拉托夫中將）在戰爭爆發時尚處於組建階段，其部隊都是從東方方面軍的預備隊中臨時抽調出來的。巴甫洛夫所沒有意識到的是，他的這一決定將導致東方方面軍縱深地帶兵力的空虛，從而爲中國裝甲部隊的長驅直入創造條件。
儘管東方方面軍下達了嚴厲命令，並且派出了增援部隊，但是到了4月4日，博爾金少將指揮下的機械化第11、6軍仍然未能順利地進行反擊。這2個機械化軍在戰爭開始時有1258輛坦克，但缺乏炮兵和運輸車輛。在對華軍第9集團軍步兵第20軍陣地的衝擊中，沒有炮火支援、步兵掩護的蘇聯坦克遭受到了巨大的損失，並且消耗掉了爲數不多的彈藥和油料。而前來增援的第13集團軍步兵第21軍卻撞上了華軍第3裝甲集羣的裝甲第12師，結果在華軍坦克部隊的打擊下步步後撤。不幸接踵而來，部隊被打散了，當然，現在也就談不上什麼反突擊了。
實際情況是，曾經被寄予很大希望的東方方面軍右翼反擊，進行到這個時候，除了遭到巨大的打擊而損失慘重外，幾乎沒有取得任何成果。
在東方方面軍左翼，從4月3日開始，從邊境地區撤退的蘇軍第4集團軍機械化第14軍和步兵第28軍對進攻的華軍第2裝甲集羣也進行了反擊。在這個軍的編成有520輛舊式坦克（到這時已經損失了很多），沒有“T－34”和“KV”等新式坦克，而且全軍在組織上已經陷於混亂。與之相比，中國第2裝甲集羣在戰爭開始時擁有955輛坦克，其中85毫米炮的“行者”坦克135輛，裝100毫米坦克炮的“行者”坦克381輛，裝100毫米炮的坦克殲擊車和指揮坦克216輛。中國軍隊在坦克數量和質量上都佔有很大優勢，更不用說他們還牢牢的掌握着制空權。
但蘇軍的反擊是極爲堅決的。在激戰中，甚至有幾輛蘇聯坦克突入了華軍第17裝甲師的野戰指揮所。當時在這個指揮所裏，不僅有裝甲第17師師長杜玉明中將，而且還有前來巡視戰場的第2裝甲集羣司令官林毓英陸軍上將和摩托化第47軍軍長戴安嵐上將。好在這些人都富於戰鬥經驗，在蘇軍坦克射擊的瞬間能夠及時臥倒，否則華軍第2裝甲集羣的首腦真的有可能被一舉殲滅。當天，林毓英共遭遇了兩次蘇聯坦克，但都大難不死。
在地面戰鬥進行的同時，蘇聯航空兵也在不利的條件下盡其所能地進行頑強的戰鬥。甚至連林毓英的司令部都遭到了他們的襲擊，但如上文所述，當時幸好林毓英本人並不在自己的指揮部裏，所以又逃過了一劫。不過不知爲什麼，蘇聯人在當時卻在廣播中宣稱已經擊斃了林毓英。同一時期，第2裝甲集羣編成內的騎兵第1師（實際上只是一個靠馬來運動的步兵師，幾乎沒有乘馬作戰的能力）在紅軍的空襲中也遭到了不小的損失。
