20日夜，俄军第三步兵师开始从新沙赫京斯基撤出，乘车赶往双城子，撤退行动严格保密，前沿的巡哨和值勤由后卫部队照常进行，主力部队从城外道路绕往火车站，未曾惊动居民，火车开出时禁止鸣笛，运兵的车皮涂上红十字伪装成运伤员的车皮，运火炮的车皮则将火炮周围堆满木材伪装成运货车皮，沿线布置了3个骑兵团和大批护路巡逻队。一整夜，华军都未曾察觉第三师的移动，派出侦察铁路线状况的小股骑兵侦察队不是被击退就是被消灭，侦察队没有取得有实际价值的情报。直到次日清晨，华军第13步兵师的3个旅和第11师的33旅仍集结在新沙赫京斯基周围，另外还得到两个骑兵团的支持，合计兵力达4万8千人，集结的军属和师属火炮包括36门150毫米重榴弹炮、72门105毫米加农炮和48门90毫米榴弹炮，旅属火炮包括72门75毫米野战炮和24门100毫米迫击炮。而此时新沙赫京斯基俄军的环形阵地内，只有前沿布置着不到两千名可快速撤出阵地的骑马步兵。原来的炮兵阵地上安设了用木头和铁皮拼成的假炮，为免露馅，还在假炮上方设置了蓬布和树枝作掩饰，而各团营地内总共可供约两万人使用的营帐也还留在原地，以便欺骗华军的空中侦察队。
21日晨9时，第三野战军司令官陈星云中将接到侦察飞机的报告：“……敌阵地比较安静，部分阵地似乎作了防空伪装，昨天发现的火炮大多已不在原地……”
陈星云对这份报告并不在意，毫不犹豫地下令，第32旅准备按计划执行对双城子要塞的佯攻，第33旅准备按计划执行穿新沙赫京斯基与双城子间的穿插作战，第13步兵师准备按计划夹击新沙赫京斯基之敌军，野战军属航空浮空集群亦应按计划分批出击，支援地面作战。
命令传至前线，第三野战军各部于9时30分同时开始行动，第32步兵旅与第5骑兵旅的第13、14团从新沙赫京斯基以南5公里外展开，驱散俄军少量骑兵队和护路巡逻队，向铁路沿线的两个俄军据点群发起猛攻，迅速夺取这两个据点，布置起南北两重背对防线，割断了新沙赫京斯基与双城子之间的铁路联系。
第13师则集中两百多门大炮猛烈轰击新沙赫京斯基西北方面的防线，俄军当然无力还击，前沿守军纷纷撤出阵地，骑上马向东部的沼泽和森林中退却。
31旅则在第三野战军参谋长赵民河的注视下，对双城子要塞发起了佯攻作战。为达到吸引俄军注意力的效果，为31旅提供火力支援的炮兵力量也十分可观，合计18门150毫米重炮、54门105毫米加农炮和18门90毫米榴弹炮，另外还集结了24门旅属的75毫米野战炮。独立第四炮兵旅第20特别重炮团的3门305毫米重型攻城炮昨晚才运到，连夜装配完毕，一大早也加入了炮击行列，首先发出了一排撼人心肺的剧响，350公斤的巨弹沿着低伸弹道飞向俄军坚固的水泥要塞，炸出几团绚烂火团。随即大小火炮一起开放，俄军阵地前沿顿成火海，部分堡垒炮台也遭弹雨包围，火团骤闪骤灭，硝烟散乱起伏，俨然大举进攻之前奏。
俄军进攻部队此时尚未进入出发阵地，所以并未受到严重打击，猛烈的炮击却使斯特塞尔中将吃了一惊，以为己方情报失误，华军的真正进攻方向却在此处，连忙派人到各阵地询问情况，不久从新沙赫京斯基传来消息，华军正以重兵猛攻该处阵地，斯特塞尔才放下心来。不料很快又传来消息，华军步兵正在炮火掩护下，自要塞西面跃出战壕，向要塞前沿阵地接近。
“不会吧，难道我们判断失误？敌军已经把各预备师团也投入了战斗吗？”
斯特塞尔疑惑起来。
“现在担心也没用，命令要塞的重炮兵向敌人步兵开火吧。”
旁边康特拉琴柯少将说道，斯特塞尔也暂时拿不出主意，只好照办。
不一时，有人来报，说是要塞重炮刚一开火，敌军步兵就已躲了回去。
“不过如此嘛。”
斯特塞尔得意起来，旁边康特拉琴柯却不以为然道：“如果对方真想进攻要塞的话，炮火准备的时间应该要长得多，步兵的进攻也应该坚决得多，不会如此轻易就放弃，我看敌人只是在徉动而已，意图大概是要牵制我军，使我军无法去救援第3师。他们应该还不知道，第3师已经撤了回来，现在我们至少可动用十个步兵团和五个骑兵团去进攻当面之敌，可用的野战火炮也增加到300门，要塞的十多门重炮也可以对那个方向上的敌人阵地实施轰击。如此一来，歼灭或重创要塞西面之敌的作战目标就更有希望实现了。现在我们应该动用手头的全部300门大炮对敌人的步兵和炮兵阵地全力轰击，步兵按今天凌晨的修订计划分三波次发起突击，骑兵在步兵两翼掩护并包抄敌军侧翼，坚决实施歼灭作战。”
“恩，歼灭作战，这么说来，是时候开始了。”
斯特塞尔摩拳擦掌起来，一长串命令迭连下达，俄军的作战机器快速运转起来，很快，俄军安排妥当的260门火炮开始向华军阵地猛烈轰击，布置在前沿的3个华军75毫米野战炮连几分钟内即被压制住，华军草草筑成的战壕和射击掩体被一段段轰毁，刚刚退回出发阵地的华军32旅的94、95团遭到如此急促密集的炮火轰击，损失惨重，部分连队解体，溃兵拥向后方。
正在空中巡逻的华军飞艇和飞机立即向地面报告了俄军炮