15日夜间，以坦克部队为核心的俄军主力攻势虽然暂停，但和前一晚不同的是俄军轻步兵组成的小分队渗透战逐渐增加起来，不过是冲锋枪和手雷装备起来的俄军显然并不擅长这种夜间独立作战，很快就被资格老的多的国军打的溃不成军；然不幸的是国军的夜袭分队也普遍的不成功，在大量车灯和照明弹照耀下，俄军不惜采用值班机枪战术、用密集的子弹将大部分国军同样打的死伤惨重逃回本阵。不过不管夜袭如何失败，双方大军利用夜晚的暂时休战都在忙碌的备战，甚至不顾一切大开车灯，导致双方夜行的飞机都得以轻松找到各自的目标，于是天上地下依旧如白天那样爆炸声不绝于耳。
16日天亮后三个方向上的俄军恢复了全线进攻。
东面俄第25集团军与顾祝同新投入战场的整57、88师反复争夺敦化一线；稍北面顾集团主力和俄第5集团军、红旗第1集团军激战牡丹江一带；东北方向俄第35集团军从从东向西、第15集团军从北向南，开始从佳木斯、依兰、勃利一线向哈尔滨及以东一线东路国军后方推进。北面张自忠迫于东、西两侧的俄军红旗第2集团军和第16集团军进攻压力只能将预备队调往侧翼，正面则在北安一线坚持。西北牙克石被国军放弃后，俄第36集团军追杀国军至博克图预设防御区、双方再战。大兴安岭另一边的阿尔山还在激战，俄第39集团军不断投入强攻已接近对国军整11师等部形成合围。而哈尔山以南宽正面上，俄军第53、17集团军及方面军直属各部继续强攻薛岳的主阵地，但攻击力度在损失惨重的情况下有所减弱，也许？
双方地面激战持续整个上午；而在云层逐级增厚，大片乌云从西北滚滚向东南方向压进战场的情况下，双方空中激战而不断向东战场迁移。
中午时分，双方不约而同发动奇袭。
俄军略先开始，远东第2方面军由第16集团军切列米索夫中将指挥，包括2个步兵师、3个坦克旅、2个步兵旅及3个自行炮兵团等这样一支混合部队（历史上这支部队是二战末期进攻库页岛南部和千岛群岛等役使用的部队），除坦克外全部由美援半履带车和越野卡车装备起来，沿着被突破的爱辉和嫩江一线，利用美制车辆出色的越野能力、在防滑链帮助下，封冻的嫩江直插齐齐哈尔；在那个方向担任防守的是曹福林整55师，在之前的作战中已经损失颇多，特别是在爱辉丢掉整181旅半个旅，又在嫩江城损失了整29旅一部，此时除整181旅正撤往齐齐哈尔整补外，整55师剩下万余人被俄军一击崩溃，师直属队和整29旅残部逃上西侧扎克奇山区躲避，整74旅则逃向东侧向张自忠主力靠陇，随着俄军快速部队沿嫩江快速南下，迅速攻克伊拉哈、老莱等地，通往齐齐哈尔的大门打开了！
就在俄军击破整55师同时，王耀武指挥国军整73、74、83师在郑洞国整理出来的装甲部队协同下对阿尔山西南俄第39集团军南侧翼发动进攻；与此同时，由杜聿明指挥的另3个装甲师余部及整2、5师协同下对第17集团军北侧翼发起了进攻。
这是亲自接管外贝加尔方面军作战指挥的华西列夫斯基万万料想不到的，他本以为位于两侧的国军机动力量会对中央位置的第53集团军发动进攻，还特意将第53集团军加强到8个步兵师、4个坦克旅、5个炮兵团的庞大规模以免再出意外，而国军位于第53集团军两侧的部队却反向进攻，加上超过俄军预料的规模和没有进行火力准备的袭击方式，使第39和第17集团军单薄的侧翼在几十分钟内先后被王耀武和杜聿明击破。
南面第17集团军还好，立即投入预备队应战，并将正在向东进攻的主力迅速转向北面；而北面第39集团军就悲剧了，因为其预备队已经动用，且各部队处于围攻阿尔山要塞的关键且分散部署当中，加上之前损失惨重，其单薄的南侧翼被国军突破后，国军3个新锐师各在1个装甲师余部组成的装甲支队配合下分头插入俄军纵深。500多辆战车奋勇当先，俄军侧翼的反坦克炮分队和零散的坦克根本不是对手；等尤什凯维奇上将将预备队调到北突的国军正面，国军已经分三路杀入俄军纵深20公里了，位于阿尔山以南的俄军已经被切断归路（虽然从理论上还可以绕道阿尔山以东归队）。
下午2时，以第39集团军唯一的坦克师（也是俄军经历二战中后期改制后在远东保留下来的几个坦克师之一，史实）为核心的反击开始，但几乎立即就陷入困境，因为该坦克师主要装备的还是过时的T26，面对国军第4装甲师硬碰硬的突击，虽然俄军坦克数量战优，但30年代出品的T26对M4A3几乎不起作用，只有队列中的部分T34能和国军形成有效对射，加上伴随的国军步兵和轻炮兵占据很大优势，俄军的反击不到3时就败退下去；国军压过破烂的俄军装备乃至残尸隆隆北进，打的俄第39集团军急急忙忙向北撤退，因为阿尔山东北方向突然出现国军大部队，那是薛岳好不容易移动到位的西集团预备队，整4师和整20师，利用山区地形轻装而来，突然发起反攻，打的正在调整部署的俄军措手不及，迫使华西列夫斯基只能下达撤退命令。
阿尔山以西的俄军丢下一地装备乃至伤兵和死尸，阿尔山以南的部队更是狼狈，前一阵还四面包围敌人，可突然间就变成被敌三面包围，山上的炮弹和山下的坦克还逐渐压缩、封锁位于阿尔山西侧最后的逃命之路，上万俄军七零八落的拥挤着向通过这条通路逃跑，但面对山上山下射来的密集炮弹爆炸，大部分俄军都成为尸体。
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