蘇聯對此事反應速迅，做好了戰與和的兩手準備，6月5日，海參崴當局要求釋放其在哈爾濱領事館被捕人員，表示愿意以縮小中東鐵路局長權限作為交換條件。13日蘇聯增兵海蘭泡，吉林省當局亦調兵赴璦琿增防。17日蘇聯增兵滿洲里附近，萬福麟派第三旅增防呼倫貝爾。
6月22日—25日，張學良在沈陽召開對蘇會議，決定改編陸軍屯兵吉蒙邊界，接收中東路方法等問題，7月7日，張學良抵達北平與蔣介石會晤，商談有關中東路的對策，會談內容如何，外人不得而知，但蔣肯定對收回中東路表示支持7月10日，東三省當局在中東鐵路沿線各地配置軍隊，沒收鐵路電報、電話，查封蘇聯商船公司、貿易公司、火油公司等，將中東鐵路管理局葉木沙諾夫、副局長艾斯孟特等蘇聯高級官員全部免職，令范其光代理局長，解散蘇聯職工聯合會、共產青年團、婦女部、童子軍等團體，逮捕蘇聯人200余名，制造了震驚中外的“中東路事件”。
13日，蘇聯就中東路事件向南京政府發出為期3日的最后通牒。同時黑龍江省城齊齊哈爾自7月1日至13日經由輪船發往蘿北、璦琿、烏云、奇克、遜河等縣公文郵件，均被蘇軍扣留。15日中東路貨車停駛，烏蘇里鐵橋被蘇方破壞，吉林、黑龍江軍隊開往五站、滿洲里。
17日蘇聯政府宣布與國民黨政府斷絕外交關系，停止與中國的鐵路交通，保留1924年中俄、奉俄兩協定規定的一切權利，并警告中國東北當局和南京政府，中東路如不恢復原狀，中國將有莫大危險，戰爭至此已不可避免。
中東路事變的起因
1929年東北易幟前后，南京國民政府頭面人物吳鐵城來到東北，與張取得聯系，曾有言“不到東北，不知東北之大；不到東北，不知東北之危”，蔣介石更是片面夸大蘇聯在東北的勢力，使張學良認為蘇聯在東北勢力對其統治構成威脅。同時蔣認為東北依舊是一個獨立王國，奉俄開戰，只會使自己獲得漁翁之利。
同時，東北軍中一些少壯派，向張提供了一些錯誤的訊息，說蘇聯內部空虛，邊境武裝不堪一擊，戰端一開，必然土崩瓦解，尤其連年收成不好，軍需民食大成問題，即或引起戰爭，最后勝利必然屬于奉系，張學良決定對蘇實施強硬政策。
這些人以中東路督辦呂榮寰為首（兼任中東路中方理事方，九一八后曾任偽滿產業大臣、偽滿駐南京大使等職），孫科在十多年后的《中蘇關系》一書中，提到張學良發動中東路事變是“宵小”所致，所指的宵小就是呂榮寰。據許多東北軍老人回憶，呂之所以要挑起中東路事變，是因為中東路歷年鐵路盈余很多，蘇方局長主張用于建設，修建鐵路，而呂榮寰等則要按股分利，以便從中貪污，于是慫恿張學良強行收回中東路，以致釀成戰事。
主張收回中東鐵路路權的除呂以外，還有負責對蘇外交的東省特區長官張景惠和在張手下辦理對蘇外交的特區教育廳長張國忱、中東鐵路理事鄒尚友（后任南京政府外交部司長、公使、大使等職）、李紹庚（后任中東鐵路理事長，九一八投靠偽滿，任中東鐵路督辦，1935年任偽滿州國交通大臣衙任外交部大臣，1945年3月任偽滿駐南京大使）等，張國忱、鄒尚友、李紹庚全是哈爾濱商業學校畢業的學生。這個學校是帝俄在哈爾濱辦的學校，華人學生從小住在俄國人家里寄住，所授的課程也全是俄文課本，由這個學校畢業的學生不但俄語很好，就是生活習慣和世界觀也是帝俄那一套，對帝俄時代的將軍也有特殊的崇信。張國忱有一個白俄顧問是帝俄時代的將軍，名叫托瑪夫斯基，他向張建議說：“蘇聯有大饑荒，人民奄奄待斃，對于共產黨政權極度不滿，歐美各國對于蘇聯也有仇恨，倘若有人此時發難，共產黨必倒臺。中國若能趁這個機會將中東路主權一舉收回，不但蘇聯此時無力進行反抗，就是世界列強也必雙手高舉，贊成中國的行動”。張、鄒等人此時正想擠掉呂榮，由張取而代之。他們對呂不懂俄語，不諳俄情，卻占據全國第一肥缺，心有不甘，同時他們有南京政府外交部也有聯系，由蔡運升去職、鄒尚友到外交部任職可知。