К 10 февраля все приготовления были закончены, и главком отдал приказ о наступлении. «В ночь на 10 февраля войска НРА начали развертываться, — вспоминал впоследствии В. К. Блюхер, — а утром — жестокий, полный героизма бой за Волочаевку. Войска Народно-революционной армии, вступившие в бой, были уверены в своей победе. Эта уверенность была выкована в войсках большевиками во главе с П. П. Постышевым. Войска шли в бой с лозунгами: «Волочаевка будет наша!» Бойцы, командиры и политработники шли в бой с твердой решимостью победить. Так начались волочаевские дни».
Сводная бригада Я. 3. Покуса, партизанские отряды Ф. М. Петрова-Тетерина и И. П. Шевчука начали непосредственный штурм волочаевских укреплений, а Забайкальская группа Н. Д. Томина направилась вдоль Амура в обход левого фланга для удара по ближайшему тылу неприятеля и окружения его в районе Хабаровска.
Первыми подошли к проволочным заграждениям бойцы 6-го полка и бросились на штурм. Ножниц не хватало, и бойцы прикладами рвали колючую проволоку, штыками копали промерзшую землю и вытаскивали колья. Противник открыл сильнейший перекрестный огонь из пулеметов и бронепоездов. Многие полегли здесь.
В центре вражеские укрепления штурмовала команда разведчиков особого Амурского полка, но и она застряла. Дважды командир 6-го полка А. Захаров водил своих бойцов в атаку, но сильный огонь преграждал им путь. Не помог и единственный танк. На подходе к заграждениям он был подбит.
Продолжать атаку дальше было бессмысленно. Бойцы лежали перед проволокой, зарывшись в снег. Бой не дал заметных результатов. Более 400 человек выбыло в тот день из строя. К ночи мороз усилился, поднялась пурга. Всю ночь и весь следующий день бойцы находились под открытым небом, не получая горячей пищи. Чтобы не отморозить ноги, они залезли в набитые сеном мешки.
В результате боя была уточнена система укрепленных позиций, расположение огневых точек. Это дало возможность Блюхеру на следующий день перегруппировать войска и подготовить их к новому наступлению. К вечеру 11 февраля были восстановлены железнодорожные мосты и к фронту подтянулись бронепоезда.
Одновременно главком потребовал от Н. Д. Томина, разбившего противника на правом фланге и освободившего опорные пункты Верхне- и Нижне-Спасское, «самым решительным образом прийти на помощь Сводной стрелковой бригаде… и нанести удар в тыл волочаевской группе противника. Удар должен быть скорым и решительным».
На рассвете 12 февраля три орудийных выстрела бронепоезда № 9 послужили сигналом для новой атаки. После часовой артиллерийской подготовки бойцы в едином порыве бросились на штурм. Атакующие цепи приблизились к окопам противника. Падали убитые и раненые. На смену им устремлялись свежие подразделения. Вражеские бронепоезда обрушили на них ураганный фланговый огонь. Тогда на помощь пехоте пришли артиллеристы. Они заставили неприятельские бронепоезда отступить. И тогда бронепоезд № 8 стремительно двинулся вперед, ворвался в расположение противника и открыл огонь из всех видов оружия. Противник растерялся. Этого только и ждали бойцы, штурмовавшие Волочаевку. Они поднялись и ринулись в атаку. По фронту прокатилось громкое «ура». Преодолев все препятствия, красные воины ударили в штыки.
Одновременно обходная колонна Н. Д. Томина вышла в тыл врага и подожгла деревянный мост в нескольких километрах от Волочаевки.
В оперативной сводке полевого штаба НРА за 12 февраля говорится, что «Сводная стрелковая бригада, окружив к вечеру 11 февраля Волочаевку, сегодня перешла в решительную атаку, действуя на правом фланге 6-м и 3-м стрелковыми полками, и одновременно ударом 4-го кавалерийского полка со стороны Даниловки в 11 час. 32 мин. заняла Волочаевку. Сопротивление было настолько велико, что наши части, бросаясь на укрепления противника, расстреливались картечью, повисая на проволоке».
Преследуя противника, части Народно-революционной армии 14 февраля освободили Хабаровск. Деморализованные остатки бывшей белогвардейской армии двумя группами — по Уссурийской железной дороге и по долине реки Уссури уходили в Приморье под защиту японских штыков.
Много поздравительных телеграмм получили герои Волочаевки. «Преклоняясь перед памятью погибших, восхищены героизмом живых, шлем пламенный привет и поздравления с возвращением Хабаровска всем доблестным бойцам и их вождю, оправдавшим доверие Республики. Председатель Совета Министров ДВР Никифоров». «Реввоенсовет Сибири, — говорилось в другой телеграмме, — поздравляет доблестные части Народно-революционной армии со взятием Хабаровска».