鉴于苏军装甲车辆频繁进入珍宝岛活动，3月14日夜，中国边防军派出1个步兵班进入珍宝岛警戒，掩护工兵在乌苏里江的江汊上埋设反坦克地雷。此时，苏军向边界地区增加了一个摩托化步兵团、一个坦克营和4个大口径火炮营。3月15日凌晨4时，苏军6辆装甲车乘着黑夜掩护30多名步兵登上珍宝岛，潜伏在丛林里，准备偷袭上岛的中国巡逻队。但是，苏军的举动被中国边防部队发觉，双方随即发生一场更为激烈的冲突。
上午7时40分，中国边防军两支巡逻队登上珍宝岛。8时零2分，中国边防巡逻队与岛上的苏军开始交火。激战一个多小时后，中国边防军击毁苏军两辆装甲车，苏军撤回到苏联一侧，第一次战斗结束。9时46分，苏军出动3架飞机向珍宝岛俯冲过来。接着，苏军在岸上炮火掩护下，出动坦克6辆、装甲车5辆，分两路向珍宝岛上的中国军队展开攻击，同时以4辆坦克向珍宝岛南侧江汊运动，企图从背后攻击中国军队。中国边防部队在岸上火力支援下，顽强抵抗苏军的冲击。这时，中国边防军无后座力炮班登上珍宝岛后，立即架炮向苏军坦克射击。然而，中国边防军使用的75毫米无后座力炮和40毫米火箭筒都是四十年代设计的，威力有限，只打掉了苏军两辆装甲车，击毁一辆坦克。苏军坦克遭到打击后队形顿时混乱起来，1辆坦克闯入雷区被炸毁，其余坦克慌忙逃回苏联一侧。
下午1时35分，苏军以大口径火炮、坦克炮向珍宝岛及江岸中国一侧防御阵地、边防站及后方桥梁猛烈轰击，火力正面达10公里，纵深达7公里。在持续2小时的炮击之后，15时13分，苏军又出动10辆坦克、14辆装甲车、100多名步兵向珍宝岛发起第三次攻击。岛上的中国边防部队遵照毛泽东的教导，“敢把敌人放近打，三百米不打，二百米不打，八十米不打，七十米不打，放到五十米，突然开火”，用无后座力炮、火箭筒在距苏军几米、十几米的地方开火，多次打退了苏军的冲锋。15时30分，岸上中国炮兵群也加入战斗，以猛烈的火力集中轰击，击毁苏军1辆坦克，4辆装甲车，击伤两辆，还打死了苏军边防总队长列昂诺夫上校和一名中校。下午17时后，天色转暗，苏军全部撤出珍宝岛，第三次战斗结束。①
从当天的冲突来看，双方都作了准备。苏军于凌晨4时就在列昂诺夫的率领下悄悄地潜伏到岛上，试图给中国边防军以出其不意的打击。没成想，中国边防军比苏军准备得更充分。于是，列昂诺夫请求增援。等上报到莫斯科时，国防部长格列奇科还在印度，勃列日涅夫正在去匈牙利的路上，没有人敢下令增援。直到下午，勃列日涅夫才得知消息，同意派兵增援。等援兵出动时，珍宝岛战斗已经结束，列昂诺夫也命归西天。
在3月15日的冲突中，苏军共出动50多辆坦克、装甲车，向中国领土发射了1万多发炮弹，并出动了36架次飞机。中国边防军只有步兵和部分炮兵、工兵，既无坦克、装甲车，也没有出动空军支援，在装备和火力均不占优势的情况下，凭着顽强的战斗精神，打退了苏军三次进攻，击毁2辆坦克、7辆装甲车，打死苏军近60人，打伤80多人。中国边防军只牺牲12人，负伤27人。毛泽东后来评价说，我们一没有用飞机，二没有用坦克、装甲车，三没有指挥车，打了9个小时，敌人三次冲锋，都被我们打垮了。我们不是不要飞机、坦克、装甲车，但主要靠勇敢。要破除迷信，这次珍宝岛就破除了迷信。
当天下午4时，中国外交部紧急约见苏联驻华大使馆临时代办，但遭到苏联驻华大使馆临时代办的拒绝。几个小时后，苏联政府匆匆忙忙地发表了一个所谓的“抗议声明”，一方面说“正采取一切措施以避免冲突”，另一方面又说珍宝岛“是苏联领土不可分割的一部分”。为此，中国外交部向苏联驻华大使馆提交了一份抗议照会，指出：3月15日凌晨，苏联政府出动大批装甲车、坦克和武装部队，又一次侵入中国领土珍宝岛和该岛西侧的中国河道，首先向岛上的中国边防巡逻人员开枪射击。中国边防部队被迫进行自卫还击。苏联方面不断增加装甲车、坦克和武装部队，并向中国境内纵深开炮，事态正在扩大中。苏联政府在挑起了3月2日的严重流血事件之后，“不顾中国政府的多次警告，不断派兵侵犯中国领土珍宝岛，进行武装挑衅，现在又一手制造了新的流血事件。苏联政府必须对由此产生的一切严重后果承担全部责任。中国政府向苏联政府提出紧急的、强烈的抗议，苏联政府必须立即停止对中国的武装挑衅。中国政府保留进一步提出要求的权利。”
