月2日後，蘇聯迅速增派兵力開往珍寶島以東的蘇聯邊境。3月4日、5日、7日、10日、11日、12日，蘇聯軍用直升機、裝甲車和武裝人員又多次侵入珍寶島及其兩側的中國河道。13日，中國再次發出抗議照會，嚴重警告蘇聯政府。
為應付緊急事態，中央軍委於3月7日複電沈陽軍區，明確在化凍前（即3月20日前）仍把珍寶島、七裏沁島作為自衛反擊的重點，抽調步兵、炮兵以及高炮和反坦克部隊在饒河西南地區集結待命。14日晚，中國邊防部隊工兵連和偵察排在中國江岸通道和珍寶島西江叉地區分別設置反坦克雷場，反坦克炮兵進入前沿和縱深陣地。
日淩晨4時，蘇軍在6輛裝甲運兵車的運送下，侵入珍寶島。8時許，蘇軍3輛裝甲車引導步兵向上島巡邏的中國邊防部隊開火。中國邊防部隊隨即還擊，激戰1個多小時，打退了蘇軍的第1次進攻。9時46分，蘇軍發動第2次進攻，正麵由3輛坦克、3輛裝甲車引導步兵衝擊，另由1個坦克中隊4輛坦克從島南端的江叉冰麵上穿插，企圖切斷島上中國邊防部隊與中國江岸的聯係。蘇聯江岸上的火炮和機槍封鎖中國江叉，阻攔中國部隊上島增援。中國守島部隊在孫玉國、於洪東、周登國等指揮下，集中主要力量和反坦克兵器重點打擊正麵入侵的蘇軍，同時在岸上火力支援下打擊迂回入侵的蘇軍坦克中隊。經過2小時激戰，蘇軍的第2次進攻又被打退。15時，蘇軍在猛烈炮擊中國邊防部隊的一線防禦陣地後，向珍寶島發起第3次進攻。中國邊防部隊副營長冷鵬飛率部上島，與島上中國部隊協同作戰。同時，中國邊防部隊炮火支援，擊中蘇軍指揮所，擊斃蘇軍比金地區邊防部隊總指揮列昂諾夫上校。17時，蘇軍撤出珍寶島，蘇軍第3次進攻被粉碎。在這天的戰鬥中，中國邊防部隊擊斃蘇軍上校以下官兵60餘人，擊傷80餘人，擊毀擊傷坦克、裝甲車13輛，繳獲軍事裝備1部。中國邊防部隊陣亡12人，傷27人。至此，珍寶島地區的中蘇武裝衝突以中國軍隊的勝利而暫告結束。
珍寶島事件的發生，對中蘇關係、中國國內形勢都有著直接的影響，引起全世界的關注。事件發生後，蘇聯向中蘇邊境以及蒙古人民共和國大量增派陸、海、空三軍，直接部署在上述地區的兵力有陸軍42個師，空軍25個師，飛機3000餘架，海軍艦艇800餘艘，邊防總隊21個，總兵力達100多萬人。中蘇邊境上的嚴峻形勢加重了中共黨內關於國際形勢日益嚴重、世界大戰不可避免的判斷。毛澤東在1969年4月的中共九大會議上發出了"準備打仗"的號召，由此掀起了全國備戰高潮，從而嚴重影響了國民經濟的正常發展。
9月，周恩來總理在北京機場與路經此地的蘇聯部長會議主席柯西金會晤，雙方同意采取措施使邊境局勢正常化，並確定於10月在北京恢複中蘇邊界問題談判。至此，兩國關係趨向緩和，珍寶島事件劃上了句號。
九大前後全國備戰的高潮年初至1970年，即中共九大前後，因珍寶島事件的發生，中國出現了規漠空前的備戰高潮。這次備戰高潮的出現，與中國領導人對國際形勢估計過於緊張、對戰爭形勢估計過於嚴重有關。中華人民共和國成立以後一直麵臨帝國主義國家的封鎖、包圍和戰爭威脅。在這種情況下，黨和國家領導人在重視政治鬥爭、經濟建設的同時，沒有忽視國防建設和備戰工作。但在60年代以前，因中蘇友好同盟關係的存在和社會主義陣營的團結，黨和國家領導人對美國侵略中國的可能性並未估計過高。60年代以後，隨著中蘇關係的惡化直至中蘇同盟的解體，整個國際戰備格局發生了巨大的變化。中國周邊的安全環境大大惡化。蘇聯於中蘇邊境屯兵百萬，頻頻挑起事端；中印邊境衝突不斷；蔣介石叫囂"反攻大陸"；美國在越南南方的戰爭不斷升級；美國與亞洲一些國家及台灣簽訂各種軍事或準軍事條約和協議，形成對中國的軍事包圍。嚴峻的局麵使毛澤東等領導人對於戰爭形勢的估計越發嚴重，一再強調必須積極備戰，要把國防建設放在第一位。國家汁委於1965年9月重新擬訂的經中央基本同意的第三個五年計劃草案已經是以備戰為中心任務了。但是，盡管如此，在1969年3月以前，中國的備戰工作仍屬於常備性的，沒有給人以緊迫的感覺。