傍晚，为防止解围不成反而陷入包围，第39步兵军军长肖伍霍夫.斯特诺耶维奇.黄斯洛夫少将被迫指挥部队撤退。
而另一侧的第25集团军在一开始就遭到国军第5军（军长邱清泉中将）和第25军（军长黄百韬中将）的坚决阻击，至始至终未能取得任何进展。
因无法同困守库伦城的切尔尼亚霍夫斯基取得联系，外围苏军在直接请示华西列夫斯基后，放弃了解围行动，全体退往托木斯克，并转入防御。
苏军在5天的反突击中伤亡超过3万，却仅救出机械化第10军，可以说是得不偿失。
同日，在确认库伦周边已无苏军部队后，国军对库伦城内的红旗第1集团军发布劝降公告，未得到回应，随即发起总攻。
陷入绝望的苏军一面节节抵抗，一面向托木斯克空运撤出辎重部队人员和伤员。
经过惨烈的巷战，残余苏军同新西伯利亚方面军司令部一同被压缩至城西南一隅。
最后时刻，苏军高级指挥人员决定乘坐直升机撤离，然而切尔尼亚霍夫斯基坚决不走，打算“尽到方面军司令员最后的责任”（撤离库伦的别洛鲍罗多夫语）。
三天后，周森率整三十八师包围并突入了苏军控制的最后一个街区，切尔尼亚霍夫斯基看着周森：“你就是周森？”
周森点头：“对！我是中国国民革命军整三十八师师长周森。希望你命令部队向我部投降。”
切尔尼亚霍夫斯基喝了一口酒说：“可以，希望你们能善待我的士兵，他们只是执行者。”
“我保证！希望大将阁下跟我走吧！”周森说道。
切尔尼亚霍夫斯基笑道：“我自有该去的地方。”
刚说完话，切尔尼亚霍夫斯基的嘴角流出了鲜血。
切尔尼亚霍夫斯基大将自戕了，死前命令全体苏军官兵投降。
“堡垒”战役以国军的彻底胜利而告终。
这场库伦周边的战役，极大地改善了外蒙古中国军队的处境。
由于担心国军乘胜追击托木斯克的新西伯利亚方面军残部、对苏联西伯利亚地区造成威胁，苏军总参谋部火速任命远东第一方面军司令基里尔.阿法纳西耶维奇.梅列茨科夫元帅兼任新西伯利亚方面军司令，指挥托木斯克苏军。
另一方面结束了外贝加尔方面军和远东第2方面军在外蒙古东北面的攻势，转而向托木斯克、鄂木斯克转运兵力，加强守备。
至此，国军原驻蒙部队的压力得到缓解，又取得了战场主动权，随时可以转入攻势，对苏联领土实施反攻。
库伦会战结束后，苏联政府决心在局势进一步恶化前结束这场战争，于是致电国民政府，要求和谈。
国民政府同苏联政府举行谈判，双方重申了《中苏和平条约》各项条款，外蒙古的主权重新归属中国。
