3月12日、後藤大尉隊は、早めに兵営を出て街の東方のはずれにある監獄をめざし、捕らえられていた人々を解放しようとしたが、守備が厳重で果たさなかった。あきらめて、本隊に合流しようと市中を進むうちに市街戦になった。戦闘相手の中心は、リューリ商会とスターエフの事務所に宿営していた中国人、朝鮮人からなるパルチザン部隊だった。路上の後藤大尉隊は、建造物を占拠しているパルチザンから狙い撃たれ、手榴弾を投げられるなどで苦戦し、生き延びた30余名がアムール河畔の憲兵隊に合した。3月13日、中国軍砲艦による砲撃で日本軍兵営を悽惨極めるほどに破壊された。憲兵隊と合した後藤隊の生存者は、砲撃してきた中国軍砲艦目がけて突撃して全滅したと思われると香田昌三一等兵は書きとめている。11時には2月7日の戦闘で重傷を負った榊原海軍機関大尉が陸軍病院で息を引き取った。払暁、水上大尉隊は包囲を突破して兵営に帰ることに決し突出し、水上大尉は戦死したが、20名ほどは河本中尉の指揮で無事帰り着いた。海軍部隊も攻撃に出た者はほとんどが倒れ、わずかな人数が領事館に帰った。
計画は、およそ以下のようなものであったのではないか、と推測されている。陸軍部隊のうち、水上大尉率いる90人ほどが赤軍本部とその護衛部隊（ノーベリ商会と市民倶楽部）を襲撃。石川陸軍少佐は、60人ほどを率いて、赤軍本部付近の掃討をなしつつ北方から赤軍本部を攻撃する。後藤大尉率いる90名ほどについては、監獄を襲って、赤軍に捕らえられていた白軍や市民を解放しようとしていたのではないか、とされる。海軍部隊は、半分が赤軍本部の襲撃に参加し、半分は領事館の警備に残った。日本軍は3月12日未明、赤軍本部を襲った。参謀長ナウモフが死に、トリャピーツィンも足に負傷を追ったが、ニーナ・レベデワに助けられて逃げた。しかし、クンストアルベルト商会を宿舎としていた赤軍副司令ラプタは、攻撃の圏外にいて、ただちに分宿したパルチザン部隊に連絡をとり、指揮をとった。市街戦となり、数に劣る日本軍は劣勢となっていった。市街戦は、ほぼ2日間続いた。島田商会は、赤軍本部に近かったこともあり、ここに立てこもった部隊もいたとされる。石川陸軍少佐がまず倒れ、12日夕刻、配下の生存者13名は、三等主計の指揮のもと、兵営に帰り着いた。水上大尉も、部下の過半数を失い、ある家屋にたてこもって闘っていた。 同日、負傷兵3名がスヤマ歯科医のもとに身を寄せたが、パルチザンは大家のアヴシャロモフ一家を追い出すと家に火を付け爆弾を投げ込んだ。外に飛び出した日本兵は殺害され、歯科医は爆弾で首を吹き飛ばされ、夫人は焼死した。
日本軍決起にともなって、日本人居留民のほぼ全員が惨殺された。しかしソ連側文献は、「居留民の死の責任は決起した日本軍にあり、パルチザン側にはない」という見解をとっている。原暉之はこのソ連側の見解を受け、参謀本部編『西伯利出兵史』の「戦闘の局外にあった民間人が敵軍の手で皆殺しになったような書き方」に疑問を呈している。この項では、決起後の日本軍の戦闘を追うとともに、居留民虐殺の状況についてまとめる。
大永4年（1524年）もしくは享禄3年（1530年）、北条氏の家督も務めていた安田氏の安田広春が没すると、北条氏は養子の北条高広、安田氏は養子の安田景元がそれぞれ継承する。これに対して、丸島和洋は広春は北条氏・安田氏の庶流から上杉氏の奉行人に抜擢された「毛利（大江）五郎広春」であり、高広・景元とは系譜上無関係な存在（安田氏の娘婿であった可能性はある）と位置付けて、北条丹後守某の没後にその子である松若丸が家督を継いで先代の北条輔広（丹後守の父）が後見したが、この松若丸が天文3年（1534年）までに元服して「高広」と称したとする（高広の菩提寺である専称寺には輔広と高広が祖父と孫の間柄である記録があるものの、同寺に共に寄進の記録がある広春と高広の関係を示す記録が存在していない）。高広は越後国の戦国大名である長尾氏に仕え、戦功を積んでいたが、天文23年（1554年）、長尾氏に敵対する甲斐国の武田信玄と通じて北条城において主君・長尾景虎に反乱。しかしこれは翌年、長尾軍の反攻を受けて降伏した。その後は景虎（上杉謙信）に再び仕え、奉行として活躍した。永禄6年（1563年）に上野厩橋城主に任命され、関東方面の政治や軍事を任された。これを見るに、高広が武将として優れていたのが伺える。永禄10年（1567年）、今度は北条氏康に通じて再び謙信に背く。この時は、同姓でまぎらわしいため後北条氏の側は高広の姓を「喜多条」と呼び区別した（高広は元の姓である毛利を用いた）。しかしこれは翌年、上杉氏と後北条氏との間で越相同盟が結ばれたため、高広は北条氏政の仲介のもと、再び上杉氏に帰参し、以後は上杉氏の家臣として忠実に仕えた。江戸初期成立の『加沢記』によると、永禄12年（1569年）に上野国人・沼田氏で内紛が起こり高広娘婿で沼田氏当主・朝憲が殺害されると、高広は沼田氏の家臣団の求めに応じ、朝憲の父の沼田顕泰（万鬼斎）とその子の沼田景義を会津に追放したという。しかし沼田氏内紛は上杉謙信が関東へ進出する以前とのこととされ、沼田朝憲の室も当時の厩橋城主・厩橋長野氏出身と考証されており、高広と沼田氏は無関係である。