Переправа русских отрядов через Амур прошла успешно. В 3.00 ночи 20 июля пехота и казаки были переправлены на правый берег Амура, где вошли в боевое соприкосновение с китайским гарнизоном Сахаляна. Противник понес значительные потери и сдал Сахалян вместе с оружейными складами. Одновременно артиллерия русских вела сильный огонь по Айгуню.

Решающий бой за Айгунь произошел 21 июля на сильно укрепленных китайцами высотах у деревни Колушань. В этом бою отличились казаки. Три сотни Амурского и одна сотня Нерчинского казачьих полков под командованием полковника Печенкина неоднократно атаковали укрепленные позиции китайцев, «встречаемые в упор сильным ружейным и артиллерийским огнем». Казаками взято два стальных дальнобойных орудия с передками, лошадьми, снарядами, а также множество значков и два знамени с надписями: «Народ Большого Кулака» и «Помогаем Цину уничтожить европейцев».

В результате упорного боя высоты были взяты, потери русских убитыми составили 6 человек: сотник Амурского полка Волков, 4 казака и один стрелок. 10 казаков и 14 рядовых стрелков были ранены. Китайцы потеряли убитыми более 200 человек.

22 июля начался решающий штурм Айгуня. Бои длились с 14.00 до 21.00. Китайцы были выбиты с четырех сильно укрепленных выдвинутых позиций и начали отступление в Цицикар и сам Айгунь, где укрылись в городских зданиях и постройках. После жестокого боя Айгунь был очищен, противник бежал. Российские войска потеряли 9 человек ранеными. Китайцы в плен не сдавались, многие боролись до последнего и, будучи в окружении, взрывали себя на пороховых погребах или сгорали в фанзах.

Основным силам китайцев удалось отойти на юг на Цицикар, несмотря на попытки русского отряда под командованием полковника Сервианова и конным сотням Ренненкампфа перекрыть все дороги. Другая группа китайцев отошла по берегу Амура и преследовалась отрядом полковника Врублевского.

Преследование противника продолжалось в течение вечера 23 и весь день 24 июля. Силы противника оценивались русским командованием в количестве 3 тысяч пехоты, четырех сотен конницы и 12 орудий. Ренненкампф вернулся в Айгунь в ночь с 24 на 25 июля с боевыми трофеями — двумя пулеметами и девятью знаменами.

23 июля Военный министр направил телеграмму в адрес генерала Н.И. Гродекова в Хабаровск за № 3036, в которой коротко и ясно говорилось: «Государь Император высказал мнение, что Айгунь должен быть снесен». В ответном донесении 24 июля Н. Гродеков заверил Военного министра:

«Айгунь будет снесен; на правом берегу приказал возвести укрепления и строиться по-зимнему. Отныне зазей-ским маньчжурам нет места на российской территории — освободившиеся земли получат русские переселенцы теперь же».

25 июля в Благовещенск во главе русских войск с триумфом вернулся генерал-лейтенант К.Н. Грибский. На Соборной площади был отслужен торжественный молебен и розданы награды. В честь избавления города от опасности 20 июля стало праздничным днем в Благовещенске.

31 июля генерал-лейтенант К.Н. Грибский донес в Петербург Военному министру основные сведения о трофеях и потерях противника. Эти сведения были доложены 3 августа российскому императору. В донесении генерала К. Грибского, в частности, отмечалось: «Зарыто и сожжено по 29 июля до 700 трупов. Сахалян и Айгунь сожжены дотла. Остались в Айгуне стены инпаня и каменный пороховой погреб, которые будут приспособлены для наших целей».

Успешные действия русских войск под Айгунем сопровождались победами над китайцами в других районах Северной Маньчжурии. К концу июля 1900 года все Приамурье фактически было очищено от китайцев. Войска противника были или разбиты, или отошли в глубь страны, а население в большинстве своем бежало из родных мест. Часть разбитых китайских отрядов, бежавших в тайгу, объединилась с местными хунхузами и совершала нападения на русские населенные пункты и гарнизоны. Для борьбы с ними использовалось местное население, прежде всего казаки.

10 июля начальник штаба Приамурского военного округа генерал-майор Селиванов донес начальнику Главного штаба в Петербург: «Пограничное казачье население снабжено оружием в достаточной степени. Последняя партия винтовок Бердана в числе 3 тысяч, из коих 2 тысячи предназначены для крестьянского и инородческого населения Амурской области, 1 тысяча для казачьего и 300 тысяч патронов отправлены 5 июля под прикрытием в Балговещенск. Гражданскому населению Приморской области отпущено 1255 винтовок. О дальнейшей потребности запрошен военный губернатор области. В Хабаровском и Никольском артиллерийских складах имеется запас до 6 тысяч винтовок Бердана».

Приказом военного губернатора Амурской области от 28 июля казаки обязывались в свободное от работ время «переправляться через Амур в поисках китайских шаек».

4 августа в «Амурской газете» было опубликовано постановление генерала К. Грибского для населения Маньчжурии, в котором отмечалось:

«…месяц тому назад вы имели дерзость и безумие начать нападение на г. Благовещенск и жителей России, забыв, как страшно силен Великий Русский Государь землями, людьми и оружием. За это вы страшно наказаны. Город Айгунь и деревни по берегам Амура, которые смели напасть на русских, сожжены, войска ваши разбиты. Амур грязен от массы маньчжурских трупов. Никто из жителей Маньчжурии да не посмеет вернуться в деревни, на берегу Амура находившиеся…».

Укрепив свои позиции на Амуре, Приамурский губернатор Н.И. Гродеков развернул активную деятельность по закреплению занятых русскими войсками земель за Россией. 6 августа на имя Военного министра он посылает телеграмму с обоснованием необходимости присоединения к России части маньчжурских земель по правому берегу Амура. Он отмечал:

«…При сведении счетов совершающихся на Востоке событий будет поставлен вопрос о правом береге Амура. Обязываюсь теперь же заблаговременно донести, что для нас возможно решение этого вопроса только в одном смысле, именно в том, чтобы весь правый берег Амура был закреплен за нами. Обратная передача береговой полосы китайцам явится смертным приговором для нашего Амурского побережья. Китайцы очень скоро войдут в силу, будут в состоянии со своего даже берега разгромить Благовещенск и другие цветущие наши поселения на Амуре и сделают невозможным для нас всякое сообщение по этой реке. Потому считаю безусловно необходимым отодвинуть нашу Государственную границу с Китаем к югу, присоединив к нашим владениям часть Маньчжурии по правому берегу Аргуни и Амура и левому берегу Уссури».

Это и другие обращения военного руководства с мест не нашли поддержки в Петербурге. 14 августа 1900 года Военный министр поставил Н. Гродекова в известность: «Государь император в видах скорейшего восстановления дружеских соседских отношений к Китаю соизволил решить не присоединять какой-либо части Китая к русским владениям, а ограничиться принятием мер, необходимых для спокойного и прочного пользования железными дорогами, проводимыми нами через Маньчжурию, и для свободного плавания наших судов по Амуру».

Фраза о свободном плавании по Амуру была вписана лично рукой российского императора.

Вопрос о территориальном размежевании между Россией и Китаем был снят.