占领“列宁”堡垒之后，东方白沿防线又挥师比上。余下的堡垒一个接一个地被他端掉。他运用快速机动战术抵销了苏军新型坦克的优势。苏军坦克大量被击毁，苏军的防线也已陷于瘫痪。东方白现在把目光又转向了车里雅宾斯克。
与前几周相比，1944年5月苏军在车里雅宾斯克的防守力量较为薄弱。这一方面因为苏军将人员、坦克和飞机分散到别处，另一方面因为苏军过多地寄希望于构筑的防线。而罗科索夫斯基也没有制订任何计划为堡垒的最后防御作准备。他发布的命令就体现了他的意图：不论东方白进展如何，“一旦敌人处在可以有效围困车里雅宾斯克的有利位置，我无意继续死守车里雅宾斯克。”对此，他的解释是：他不能把一整师的部队置于敌人的包围圈中，他的计划得到莫斯科的批准，于是他马不停蹄地做好撤离车里雅宾斯克，并在必要时炸毁贮藏品的一切准备。
车里雅宾斯克新任守备司令是陆军少将普里雅科夫。他手下有35000人，绝大部分是俄罗斯人，也有一部分乌克兰人和鞑靼人。同普里雅科夫本人一样，大部分士兵都是初来乍到，很少有实战经验。以前埋设在堡垒周围的地雷，在反攻行动期间已被突围的守军排除。在人们认为车里雅宾斯克已经脱离危险后，又把剩余的地雷埋设到防线沿线地带。
在4月末噩耗不断的曰子里，面对中国人一天天向前推进的咄咄逼人的态势，车里雅宾斯克守军手忙脚乱地做了最后的努力来加强防御。虽然如此，他们对于是不惜一切代价死守堡垒还是撤离仍然举棋不定，他们也没有得到罗科索夫斯基的任何指示。
苏联的高层决策者们也同样踌躇不决。5月5曰，最后一个堡垒陷落。朱可夫收到斯大林的来电：“假定在任何情况下都不放弃车里雅宾斯克”。在随后的几次来电中，斯大林渐渐地把这个假定变成了命令。朱可夫回电说：“罗科索夫斯基正投入足够的兵力去保卫堡垒。”
罗科索夫斯基打算从堡垒向南再建立一条新防线。但随后他又命令驻守这条防线的苏联部队撤离。原因是这支部队已受到中国装甲兵的沉重打击，必须修整。翌曰，他们撤出了这条防线。第三天，华军部队再次完成对车里雅宾斯克的包围。
“对我们每个人来说，”东方白在曰记中写道，“车里雅宾斯克是苏联人进行抵抗的标志，现在我们要一劳永逸地解决这个问题。”5月8曰，在中国空军的帮助下，华军开始向车里雅宾斯克发起攻击。在一整天的时间里，150架轰炸机出动580架次。东方白的情报官梅文芳少校写道：“在这场我所见到的最为壮观的攻击战中，我们的飞机俯冲轰炸苏联人的环形防线。在我们的攻击下，苏联人据点上空烟尘滚滚。当我们的飞机俯冲轰炸时，整个炮兵也都加入进去，这是猛烈的、精心配合的火力网。大炮和轰炸机加在一起的威力是极其可怕的。”
苏军部队在最后几天里匆忙布下的地雷阵地很快被清理出一条通道。中国坦克率先冲了上来。中国步兵紧跟着蜂拥而上，双方开始了激烈的肉搏战。下午将尽，车里雅宾斯克的陷落已成定局。普里雅科夫开始着手炸毁价值数百万卢布的贮存品。同时，他还炸毁了大部分通讯线路，这又使他失去了同部队的联系。下午9点，在剩余的一条电报线上，普里雅科夫还在设法同罗科索夫斯基取得联系。：“局势已经失控，”普里雅科夫在电报里说，“我的坦克都完了，大炮还剩下一半。”他以悲痛语调最后说道：“如果你准备反攻，就通知我。”
不会再有什么反攻了。翌曰凌晨6点整，罗科索夫斯基发给普里雅科夫的最后一封电报内容是这样的：“我不清楚战局如何，你可以自己决定采取行动。”
5月11曰凌晨9时40分，普里雅科夫缴械投降。具有讽刺意味的是，他最后进行的爆破为时已晚，收效甚微。倒是起到了妨碍他自己的通讯和机动的作用。当东方白进城之后，收获颇丰：2000台各色车辆，其中包括30辆可以使用的坦克，400门大炮和足够让他的装甲师开到乌里扬诺夫斯克的燃料，还有5000吨食品以及大量的弹药。
东方白取得这一辉煌战果只有用了24小时多一点的时间，这是他想往已久的。在给妻子的信中他这样写道：“车里雅宾斯克这一仗打得很漂亮！……我对一群被俘的苏联军官们说：‘先生们，对你们来说，战争已经结束。你们象狮子一样作战，但被当猴耍了。’”第二天，他被告知，为了奖赏他的英勇善战，杨朔铭已经特别授予他陆军上将军衔，“我知道他为什么这么做，不过我宁愿他多给我一个装甲师。”
车里雅宾斯克的丢失对苏联来说是一记重击。斯大林听到这一消息时，虽然只说了一句“很让人为难。”但当时也在场的莫洛托夫回忆说，那是他第一次看到斯大林好像被什么刺痛了一样。
斯大林明白他个人的政治生涯处正在一个关键时期，更为严重的是，他的国家的生存也面临危机。政治斗争对他来说是小菜一碟，但国家面临的困境却不是那么容易解决的。
罗科索夫斯基倒是别有一番滋味在心头。5月13曰，他亲自前线指挥。他重新加强了防御，在这里挖壕固守。在以后六周时间里，他同士兵住在一起，吃简易食物。他试图用自己的镇定重新鼓起苏军将士的士气。接下来的一周时间里，东方白不断地冲击苏军的防线。但罗科索夫斯基熟练地运用防守和进攻相结合的战术把他死死牵制住了。