由於戰事不利，但加上得到南滿鐵路方麵日軍有異動情況，反對與蘇作戰的張作相力勸張學良和平解決，經過談判，12月3日蔡運升與蘇聯代表斯曼諾夫斯基在雙城子簽訂《停戰議定書》（又稱“雙城子會議紀要”）。規定東北當局將中東鐵路理事長呂榮寰撤職，由蘇方推薦中東鐵路局正、副新局長；雙方重申遵守中俄、奉俄兩協定。5日，蔡回沈陽報告。6日，東北政委會決定承認《停戰議定書》，並派蔡為正式會議代表。5日呂榮寰辭去中東鐵路督辦職務。11日，郭福綿代理中東鐵路公司督辦。
12月16日蔡運升與蘇方代表斯曼諾夫斯基、梅裏尼可夫在伯力外交公署開始舉行中蘇預備會議。22日，蔡運升與梅裏尼可夫在伯力簽訂《中蘇伯力會議草約》，規定兩國立即息爭，中東鐵路恢複中蘇合辦，蘇軍盡速退出滿洲裏，彼此釋放所俘軍民，重設領事館。蘇方推薦魯德義、簡尼索夫為中東鐵路正、副局長。
伯力協定實際恢複了中東鐵路的原狀，但對於此時已不能再敗的東北軍來說，總算是一個可以接受的結局，不過此伯力協定一經發布，即被認為喪權辱國，大受攻擊，蔡運升更因此去職。南京政府後改派莫德惠與蘇聯交涉，蘇方要求莫去蘇之前，將引起中東路事變的禍首東省特區教育廳長張國忱去職，在張作相的相勸之下，張學良將張國忱免職。
至月底，東線、西線交戰的中、蘇軍隊開始撤退；蘇聯駐哈爾濱總領事館恢複；在哈爾濱鬆北收容所被拘禁的1400餘名蘇方人員被釋放；東省鐵路新組成的理事會通過《伯力協定》中關於東省鐵路的3個條件，即：（1）中東鐵路為中蘇兩國之企業，本諸1924年協議經營之；（2）恢複該協議締結時之原狀；（3）審查1929年7月10後發布的關於鐵路之命令，標誌著中東路事件基本得到解決。
1930年1月1日，1日蘇聯新任中東路正、副局長到哈爾濱就任，恢複機務、車務、電務、會計等處蘇方處長及蘇聯工作人員職務。前中方副局長郭宗熙複職，代理正局長範其光仍任理事。4日中東鐵路局命令，在中東路辭職的鐵路員工一律複職。6日，蘇方局長令總會計處補發去年7月10日以後去職的蘇聯職工薪金。11日，下令裁撤去年7月10日以後錄用的中國職工280餘人。8日哈爾濱—滿洲裏恢複通車，13日中東路由滿洲裏至海參崴間恢複通車，中東鐵路實際恢複了中東路事件的狀況。
1月10日被蘇軍俘虜的東北邊防軍第十五旅旅長梁忠甲及所部官員自伯力回國，抵達滿洲裏。17日調回黑龍江省城整補。3月4日梁旅再次調駐滿洲裏，不過3月8日梁忠甲即病故（一說是瓦斯中毒），續任呼倫貝爾警備司令兼東北陸軍第十五旅旅長兼任護路軍哈滿司令即是日後義勇軍的名將蘇炳文。
為表彰東北軍為保衛國家進行的戰鬥，國名政府新設青天白日勳章，把第一號到六號勳章頒發給張學良、王樹常、胡毓坤、於學忠、鄒作華、沈鴻烈六位將領。