9时46分，苏军的地面炮兵和坦克对中国边防部队的岸边阵地和岛上分队进行猛烈射击。接着，出动6辆坦克和5辆装甲车，越过乌苏里江主航道中心线，向珍宝岛接近。苏联江岸上的大口径火炮和机枪火力也同时封锁中国江叉，拦阻中国江岸上的部队上岛支援。中国守岛分队根据苏军坦克从中国江叉迂回、登岛比较困难的情况，决定在珍宝岛西侧留置少数兵力，监视和阻击苏军的迂回坦克；集中兵力和反坦克兵器，抗击正面进攻的苏军。经过两个多小时的激战，苏军的第二次进攻被打退。

13时35分，苏军的纵深火炮、岸边坦克炮和其他火炮，在炮校机(也称侦察校射机)的引导下，对中国边防部队的防御阵地和公司边防站进行大规模炮火袭击。炮击之后，苏军100余人在10辆坦克和14辆装甲车的掩护下，又一次向珍宝岛发起猛烈进攻。苏军登岛后，分成两个梯队向岛上中国边防部队的防御正面实施轮番冲击，企图以优势兵力将中国边防部队赶出珍宝岛。中国边防部队采取近战和几个战斗小组同时围打一辆坦克或装甲车的战法，将其各个击破。经过50多分钟的激战，苏军的第三次进攻被打退。至此，3月15日的激战结束，苏军未能达到作战企图。

3月17日凌晨，苏军出动坦克5辆、步兵70余人，在炮火掩护下再次侵入珍宝岛。他们在岛上大量埋设防步兵地雷，并企图将在珍宝岛和中国江岸之间江叉上被炸毁履带的T—62型坦克拖回。为阻止敌人的企图得逞，并对敌人的炮击行动予以回击，中国边防部队炮兵群进行了猛烈的炮击。当天17时，苏军停止炮击，中国边防部队遂于5分钟后也停止反击。侵入珍宝岛的苏军在施放烟幕后，逃回了苏联境内。

3月21日晚，苏军派遣爆破组，偷偷摸向被炸坏履带的T—62型坦克，企图将其炸毁。中国边防部队发现苏军的企图后，立即组织火力将他们击退。后来，苏军为了防止坦克落人中国之手，一面用炮火阻止中国边防部队接近坦克，一面昼夜不停地炮击这辆坦克，企图将其炸毁。最终，苏军未能将坦克炸毁，但苏军的炮弹落到坦克周围后，将冰面炸裂，使坦克沉人江底。冰河解冻后，中国海军潜水人员和黑龙江省有关部门在民兵的配合下，于当年5月2日将这辆坦克捞出。后来，这辆坦克被送往北京中国人民革命军事博物馆展出。

在3月2日、15日、17日的珍宝岛战斗中，中苏双方互有较大的伤亡。苏联解体后俄罗斯公布的数字为：苏联方面亡58人，伤94人。其中，边防军亡49人，伤61人；远东军区亡9人，伤33人。中国方面公布的数字为：中国边防部队亡29人，伤62人，失踪1人。