二次掌骨峰之战打响不到半个月，近卫军损兵折将已克、装甲车、飞机、野战炮等技术兵器损毁过半，俄军隐隐感到中国军队并不像莫斯科所想的那么好对付，于是破釜沉舟，决定动用珍藏的远程重炮部队。7月15，近卫军的炮兵联队纷纷忙碌起来（包括驻旅顺的守备炮兵），重型履带牵引车吭吭哧哧地将一门门炮管硕长的加农炮从洞库中拖拽出来，近卫军拿出了全部家底。
723，俄军1200门大口径火炮一起开了火，整个掌骨峰战场火光冲天，整个炮击时间长4小时，如此大规模、长时间的炮击，据记载为俄罗斯陆军史上首次，近卫军这次要砸锅卖铁拼老命了。不过新一代的俄罗斯炮兵从未受过超远程射击训练，也从未经历过饱和射击，虽打得热火朝天，但前沿传回消息说效果并不好，精度尤为不够。反观中国军队一直都在积极练兵，在老兵的传帮带下，中国军队的水准是各个国家中保持的最好的。
战至中午，炮群一口气打出了近三十万发炮弹，这种消耗在俄军战史上是惊人的，照这样打下去要不了几天近卫军就得破产。更令近卫军恼火的是重炮相继发生故障，多门重炮炮架折断，炮身过热、膛炸、炮管烧蚀等事故层出不穷。俄国的钢铁工业无法生产出足够强度的钢铁，而且也没有足够数量的炮兵，重炮炮兵就更加稀少。
下午。隐蔽了半天的地中国军队炮群开始反击，大量炮弹发出令人恐惧的呼啸声，暴风骤雨般砸在了俄军炮兵阵地上，阵地顿时成了一片火海。面对中国军队排山倒海般的打击，俄军还击的火力近乎于呻吟，步兵甚至请求旁边的炮兵千万不要还击，以免招来更猛烈的打击。俄军记载：“中国军队的还击远远超出预料，密度之大、持续时间之长是从未见过的，阵地被黑云一般的烟尘覆盖，能见度只有两三米。浓烟遮住了视线，到处是伤员、尸体和损毁的兵器，无一处完好地炮位。”中国炮兵的攻击时间比俄国人要长，这说明在钢铁制造方面，俄国人已经远远落后于中国，一天的炮战之后。俄军已毫无还手之力。骄横的俄军垂下了头，炮兵决战又输了。
既然空、坦、炮方面接连失败。
俄军只好又回到步兵“隐蔽冲锋”——即隐蔽在某个反斜面上，这是日俄战争时的老套路。入夜后。数万名俄罗斯步兵一起冲出了掩体，端着刺刀呐喊着发起了集团冲锋。一时间俄军歇斯底里的叫喊声响彻了整个掌骨峰夜空。令人毛骨悚然。月光下，几万把闪亮地刺刀明晃晃地折射出一股凶残地杀气，近卫军的眼睛都红了。
当俄军冲到中国军队阵地前沿时。中国军队突然打开了车载探照灯，几千发照明弹也先后升空，暴露在强光下地俄军还没明白过来怎么一回事，就成片成片地被打倒了。在指挥官带领下，俄军继续不顾死活地冲锋。多年的军国主义教育和受“武士道”精神地影响，使俄军普遍有一种亡命徒似的作风，但亡命徒式地勇敢并不能改变其失败的命运。据战后统计，近卫军连续几次大规模夜袭作战，共伤亡5000人；中国军队仅阵亡263，防线后缩2—3里。观战的德国武官目睹了俄军这些疯狂地举动后，瞠目结舌，给国内发回的报告中称俄军的战术水平至多处在第一次世界大战初期。
掌骨峰的战事持续了3多月，俄军虽一再受挫，却丝毫没有退意，一切迹象表明，继续防御无法遏止俄军的疯狂意图，连续的胜利使中国军队士气高涨，该大反攻了。中国军队总参谋部决定总攻时间为8日（星期天），因为按照惯例，俄军前沿部队的军官有半数要轮流到乌拉尔去休假。进攻的命令20日凌晨245传达到一线连队，对面俄军阵地一片沉寂，中国军队反攻做到了最大的突然性。
总攻第二天，中国军队两翼包抄的装甲部队顺利会师，完成了对俄军的分割包围。同时，强大的炮火和密集的轰炸将俄军所有前沿炮兵阵地、观测所、通讯站完全摧毁。第203兵旅突袭敌后，成功地切断了俄军的补给线，俄军已成瓮中之鳖。
不肯认输，怎么也不愿相信堂堂的“大俄罗斯皇军”令部队马上反击，不能坐以待毙。（从总体上说，俄罗斯军队的作风二战时期应该算顽强的。在俄罗斯宣布投降前，几乎没有成建制缴枪的部队，这是俄军惟一可以标榜的一点资本。
）
824凌晨，反攻部队纷纷从坍塌的工事中爬了出来，等俄军完全脱离了阵地之后，中国军队的炮火铺天盖地般打了过去，无处躲藏的俄军伤亡惨重。一天的反击中，俄军仅仅前进了不足两公里，但伤亡却是可怕的。有些地方尸体多得摞在了一起，让人无处下脚。俄罗斯战史记载：左翼进攻部队只剩下7名军官和87名士兵，空军大队长右腿被打断，险些让人踩死；右翼进攻部队中了中国军队埋伏，罗迪格尔上校率队冲锋被打成了“筛子。”近卫军的疯狂反击失败后，防线全线崩溃，中国军队追击到铁木岭一线停了下来，歼灭近卫军主力目的已基本达到，赵刚并不想过于打击这头大熊，他更多的目的在于向俄国人显示力量。
掌骨峰前线的俄军最后仅剩400人，整建制跑出来的只有骑兵联队百十人。近卫军司令官植田谦吉辞职，前线总指挥巴勃罗夫斯基中弹身亡。整个掌骨峰战争期间俄军损失了近50000，步兵第23整编师、第7编师、和第1坦克整编师几乎损失殆尽，11个特种兵联队彻底丧失了战斗力。高级军官的伤亡也是空前的，俄罗斯报纸哀叹：“大量高级军官如此集中的伤亡是二战以来从未有过的。”
93日，近卫军停止了一切战斗行动。莫斯科肯罢战的原因一方面是前线已无可用之兵，一方面缘自苏德互不侵犯条约的签订。俄罗斯政府颜面尽失，内阁只好宣布总辞职。在这次战争中，俄罗斯不仅军事上一败涂地，政治上也输得精光，成了国际舞台上一个令人耻笑的跳梁小丑。不久“西进”派渐占上风，莫斯科重新调整国策。俄罗斯从此将目光移向了东欧，那里曾经是大俄罗斯帝国的势力范围，而现在正在等待俄罗斯的召唤。
“这是一场陌生的、秘而不宣的战争”19357月20日，莱茵早报的社论这样评价中国野战军和俄罗斯军队在乌拉尔山脉的这场苦斗，莱茵早报不屑一顾地嘲讽道“（他们）在人们注意不到的世界角落里发泄着愤怒。”直到两年后俄罗斯人的炸弹劈头盖脑地扔到了马赛港，德国人才明白过来，恰恰是他们认为无关紧要的一战改变了俄罗斯的作战对象，恰恰是他们根本瞧不起的粗鲁北方人给了他们致命一击！德国人为自己的骄傲和轻心付出了惨重的代价。
麻省理工学院的洛伦兹教授曾说过：“亚洲腹地的一只蝴蝶扇了扇翅膀，或许几周后能引起南太平洋的一场风暴。”在军事和政治领域，许多重大历史事件的起因可能微乎其微，但产生的“蝴蝶效应”却令人瞠目。掌骨峰战争便是典型的一例，当初谁能料到亚洲腹地一场不起眼的边境冲突，会为轴心国的最终失败埋下伏笔。
从政治意义上看，此战不仅沉重打击了俄罗斯军国主义嚣张的侵略气焰，而且使俄罗斯被迫将“东进”侵苏的国策改为“南下”袭美，中国从而避免了与俄、美两线作战的不利局面，可以集中力量打击美国。在后来的战争进程中，也可以明显的看出，由于中国一直面对一个国家美国作战，所以一直都是占据着明显的上风，而俄国人则与德国人血战到底，自始至终没有抽出手打击中国。
。掌骨峰战争后，一贯骄狂的俄军对中国军队产生了心理障碍，俄罗斯国内上下都明白了中国的强大，再也没有信息与中国再战之心，莫斯科最终决定调转枪口袭击德国，不久俄军便开始大踏步西进，将坐山观虎斗的德国拖下了水，使力量对比发生了根本变化，从而给中国带来了最好的果实。可以说，掌骨峰战争是三战早期最精彩的一个伏笔，从这个战役开始，历史的风云开始了剧烈的变动。