但迫於斯大林剛剛給他下達的「不惜一切代價死守住新西伯利亞」的命令，他不得不硬著頭皮指揮部隊應戰。
新匹伯利亞城是連線著東西伯利亞、西西伯利亞、中亞、東歐這四地的鐵路交通咽喉中轉站城市，它位處於蘇聯西伯利亞交通大動脈的「丁字路口」上，同時還是蘇聯在西伯利亞地區最大的城市和最大的重工業基地；在俄羅斯境內，它是僅次於莫斯科和列寧格勒的第三大城市，擁有100多萬人口和2000多家大型工廠以及眾多的大學、博物館、歌劇院等建築；戰略意義極其重要，整個城市坐落於鄂畢河下游的河道衝擊平原上。
巴甫洛夫大將在經過一番倉促的研究後，他認為自己麾下的龐大部隊是不能全部蜷縮在新西伯利亞城內，那樣會被滾滾而來的東北軍給全面封鎖堵死；同時也不能排列在平坦的荒原地區，因為那樣裝備低劣、彈藥匱乏且喪失了大半制空權的蘇軍部隊會被閃電般飛馳的東北軍裝甲部隊給消滅掉。最後，巴甫洛夫大將不顧部下各個集團軍司令員的反對，將部隊前；臺部分的第五十三、第五十六、第五十七集團軍安置在了新西伯利亞以南四十公里河道彎曲突出部的基洛沃、莫洛佐沃一帶，以此依託著當地密佈的河流、沼澤阻擊東北軍；而後續的第四十五、第四十六、第四十七集團軍等部則在城外郊區構築第二道防禦戰線。
這樣既能阻擋住東北軍，也能避免全軍一下子輸得一乾二淨。巴甫洛夫大將對自己的安排
很滿意，但他卻在無意中犯了兵力分散的錯誤，而且兩支部隊的中間也幾乎投有什麼部隊守衛
或者挖掘縱深防禦戰壕，因為巴甫洛夫大將本來就是個居功自傲、粗枝大葉的人。
5月9日，東北軍西路集團軍群的第五裝甲集團軍和第十機械化集團軍推進到了基洛沃和莫洛佐沃南部的博羅沃伊地區，由熊虎少將指揮的第15裝甲軍以及由方經緯少將指揮的第10機械化軍旋即與蘇軍展開了猛烈激戰。在東北軍轟炸機群的轟炸、重炮團的炮擊以及步坦混合部隊的反覆衝殺下，蘇軍死傷慘重，但仍然依託著有利地形阻擋著東北軍的進攻。
11日傍晚，龍雲峰中將、霍守義中將、熊虎少將、方經緯少將在召開的前線軍事會議上經過反覆討論後，都覺得蘇軍巴甫洛夫大將的指揮方祛畏手畏腳，蘇軍的戰術僵化機械且消極防禦、缺乏果斷出擊和積極進取的精神，因此將領們斷定蘇軍並不會大膽地奇襲東北軍的右翼或後方補給線。負責集團軍群側翼掩護的東北軍第30軍的三個摩托化步兵師隨即被抽調而出，在軍長於兆麟少將的指揮下，部隊悄悄地迂迴到了雙方黏合交戰區以南的圖拉地區。這段地區的鄂畢河河流寬度較寬，大約有15公里，趁著夜色，第30軍的東北軍利用竹筱和充氣皮筏開始秘密分批地偷渡到鄂畢河的西岸；而第一〇一裝甲師和第250輕裝甲師則連夜突襲了鄂畢河南部九十公里外的烏斯季赫梅列夫卡鎮，這段地區的河流寬度則較窄，只有不到3公里。官兵們為了確保行動不被蘇軍得知，將沿途村莊內的蘇聯居民全部扣押並囚禁起來。至天亮時分，第30軍匯合後，兩都猛地斜插進了死守在基洛沃和莫洛佐沃地區的蘇軍與新西伯利亞城的聯絡。
接到第五十七集團軍司令員尼基舍夫上將的火速報告後，巴甫洛夫大將仍然沒有命令前線部隊撤離那片危險區域，他滿腦子認為東北軍的進攻部隊已經筋疲力盡成為了強弩之末，而且補給線拉的很長，正是己方進行反攻的機會，因為固執地不斷命令即將被圍困的部隊「絕不後撤一步」。但隨著時間的推移，整個東北軍第一〇一重灌甲師以及第15裝甲軍、第30機械化軍、第20機械化軍都在17日都已經渡過了鄂畢河，死死地掐在了蘇軍的咽喉上。東北軍的空軍運輸機聯隊晝夜不斷地向河西的東北軍部隊空投物資和補給。蘇軍被攔腰斬斷，其南部的阻擊部隊也全部陷入了東北軍的包圍中。
這時才深知不妙的巴甫洛夫大將方如夢初醒，但是前沿部隊俱己深陷重圍，無法撤出來了。被圍的部隊此時只有幾條羊腸小道式的走廊可供撤退，所有的通道都被東北軍給堵死並在東北軍飛機的轟炸中。噩耗傳來，巴甫洛夫大將頓時冷汗如雨：「如此一來，前沿的三個集團軍豈不是都要全軍覆沒了？」
方面軍副總參謀長科茲諾夫中將建議派出後延部隊大規模地突襲東北軍的右翼和後方，擾亂東北軍的部署並牽制住其進攻兵力，從而減輕被圍部隊的壓力，繼而集中優勢兵力與被圍部隊共同擊破東北軍的包圍圈。
面對這個正確的建議，巴甫洛夫大將卻害怕再搭進去更多的部隊，因為這樣他會面臨克里姆林宮更加嚴厲的懲罰。他不敢釜底抽薪，只敢揚揚止沸，因而只派了兩三個師的部隊去「象徵性」地執行襲擾和突擊計劃，這對東北軍的打擊和戰局的影響顯然是微乎其微的。
參戰的東北軍第五裝甲集團軍和第十集團軍一邊繼續勒緊套在被包圍的蘇軍脖子上的絞索，一邊全力阻擊著蘇軍後延部隊的增援，一邊清剿著蘇軍進行襲擾突擊的部隊，但仍然再次取得了巨大的成功。至5月19日，被圍困的蘇軍第五十三、第五十六、第五十七集團軍接連遭到了覆滅，積滿薄冰的河面上、泥濘不堪的沼澤地內、雜草叢生的荒野上，蘇軍的屍體堆積如山，除了少數部隊突出重圍外轉入游擊戰或逃入新西怕利亞城內外，大部分的蘇軍在醫藥匱乏和彈藥耗盡的極端困難情況下停止了抵抗，總共三十三萬餘蘇軍被殲滅或向東北軍繳械投降，六名將級蘇軍軍官戰死，還有600多輛坦克和裝甲車被東北軍給摧毀，隨後的幾天內，龍中將指揮部隊對佔領區域進行反覆的清剿和掃蕩，又殲滅了兩萬餘蘇軍殘部。守衛新西伯利亞的蘇聯中亞軍區東方方面軍一下子損失了超過一半的軍力和重武器。5月25日，稍作休整後整裝完畢的東北軍第五裝甲集團軍、第十機械化集團軍以及隨後趕赴而來的由何柱國上將指揮的第一機械化集團軍開始兵臨新西伯利亞城下；而西路集團軍群的第七集團軍則在馮佔海中將的指揮下，專心致志地掃蕩起了從西疆到新西伯利亞之間的東北軍佔領區內的蘇軍游擊隊和漏網抵抗分子，以確保已經綿延長達一千多公里的後勤補給線的安全。
與東北軍在新西伯利亞南部取得大捷所遙相呼應的是，德軍在烏克蘭的基輔戰役也是捷報頻頻、戰果輝煌。5月27日，古德呈安上將指揮的德軍「帝國」裝甲師和「骷髏」武裝黨衛軍裝甲師一起攻佔了交通重鎮——烏代河畔的普里盧基，切斷了基輔蘇軍的後撤道路；5月29日，德軍南方集團軍群和中央集團軍群取得了基輔會戰的全面勝利。由於斯大林採取了愚蠢的「固城死守」和逐次增兵的添油戰術，使得基輔大包圍圈內的蘇軍遭到了前所未有的毀滅性損失，守城蘇軍的第五、第二十一、第二十六、第三十七、第三十八、第四十集團軍的大部或全部盡被殲滅，超過60萬的蘇軍被俘，坦克、飛機、大炮等重灌備的損失更加是不計其數，基爾波諾斯大將、霍緬科上將、科爾帕奇科中將等十多名高階將領戰死，號稱「東歐糧倉」的烏克蘭70%以上地區盡皆淪落入德軍之手。在基輔戰役和新西伯利亞戰役期間，蘇軍各大軍隊部隊遵守斯大林和蘇軍最高統帥部「全面出擊」的命令而進行了不同程度的反擊，但這種自尋死路的反擊在軸心國軍隊強大的陸空聯合火力的打擊下，蘇軍自然再次遭到了一系列的重創和巨大損失。
蘇聯戰爭進行至5月底，蘇軍在東線已經被東北軍殲滅掉了一百五十餘萬，而西線蘇軍則有超過兩百五十萬的兵力被德、意、芬等軸心國歐洲聯軍消滅殆盡，還有總計超過l萬架的飛機和1.9萬多輛的坦克被德軍和東北軍擊毀，蘇聯紅軍的正規軍部隊幾乎已經不復存在了；波羅的海三國、白餓羅斯、摩爾多瓦、烏克蘭大部、遠東濱海地區、貝加爾湖地區、中亞哈薩克的東部地區、東西伯利亞的南部地區…超過350萬平方公里的蘇聯領土成為了軸心國的囊中之物。驚人的戰果使得一時間舉世震驚！
「同志們…」6月1日在克里姆林宮裡召開的蘇其中央政冶局會議上，斯大林彷佛一夜之間老了十歲般憔悴不堪，他的語調和握著菸斗的手都在微微地顫抖著，「我提議，在會議召開之前，我們先為前線死難的烈士們默哀一分鐘。」被譽為「鋼鐵巨人」的斯大林此時似乎真的要崩潰了。
「遠東地區和西伯利亞地區的各個原先戰區全部撤銷，重新建立遠東特別軍區、東西伯利亞特別軍區、西西伯利亞特別軍區以及‘東中亞特別軍區’和‘南中亞特別軍區’，新西伯利亞的防禦職務由烏博列維奇同志接替；各個淪陷軍區地區立刻建立游擊隊，配合紅軍收復失地。」斯大林的聲音顯得沙啞而蒼老無力，「同志們，我們已經丟失了基輔，所以絕對不能再丟失新西伯利亞了，不然莫斯科將遭到軸心國的兩路夾擊，那時候，蘇維埃社會主義共和國聯盟以及我們偉大的共產主義事業真的要墮入萬劫不復的深淵了！」
死水一般的死寂籠罩在會議上。人人都面如死灰，絕望的念頭像毒蛇般地在每個人的心頭上纏繞著。
「同志們！此時此刻，正是考驗我們的關鍵時期！正是考驗偉大的蘇維埃的關鍵時期！」