8月2日夜，俄军开始总攻，总指挥为苏波季奇少将，其作战意图是，俄军一部从瑷珲对岸渡江佯攻，主力由苏波季奇少将率领，从黑河屯上游对岸的上海兰泡偷渡过江。这样，俄军主力3日凌晨，从上海兰泡村强渡黑龙江，发起对中国黑河屯的包抄总攻。
佩琴金指挥的哥萨克骑兵部队，凌晨1时过江，对黑河屯清军部署实施侦察，之后占领战斗地段的右翼。在海兰泡炮兵隔江火力掩护下，俄军包抄和正面佯攻部队全面展开，进攻总兵力达到14500人。
驻守北路的黑河屯统领崇昆山带领三营清军，借助战壕，阻击俄军，战斗异常残酷，是夜清军阵亡七十余人。此后，中俄军队又在位于丘陵地带的小村夹龙山发生激战，俄军左翼为有火炮支援的步兵，右翼为哥萨克骑兵团。激战不多时，清军便火力衰竭，放弃阵地，开始退却，火炮和弹药也被俄军缴获。
8月3日上午7时许，清军五百多士兵携两门火炮，与一支骑兵小部队向五道壑洛行进，试图阻止从上海兰泡村强渡过来的俄军主力。就在这时，海兰泡俄军隔江炮轰清军阵地，偷渡而来的俄军也摆出战斗队形猛攻清军。清军陷于被动，激战4小时后，清军逐渐不支，被迫放弃阵地，退却瑷珲城，大黑河屯就此沦陷。
