Залегшие на склонах сопки монголы открыли огонь, но выстрелы не наносили наступающим урона. При этом патроны еще и следовало беречь, их катастрофически не хватало. Пока не были захвачены склады в Чойрин-Сумэ, Азиатская дивизия постоянно испытывала трудности с патронами. Инженер-землеустроитель Лисовский, помощник Витте, отчасти поправил положение, предложив Унгерну оригинальный способ лить пули из стекла. Первые опыты оказались удачными, и в сражении под Цаган-Цэгеном некоторые из ополченцев стреляли по врагу стеклянными пулями.

Первую атаку удалось отбить только благодаря опытности офицера-пулеметчика. Он же остановил и вторую, кавалерийскую. Китайцы потеряли до сотни всадников, «кони носились по полю», но пешие цепи продолжали идти вперед. Для китайских солдат, по словам Волкова, это были «бои отчаяния». Они сознавали, что всюду на тысячеверстных пространствах пустынной и враждебной страны их ждет гибель, единственное спасение — оружием проложить путь на родину. Монголы, уверенные, что враг рвется к Урге, защищали Богдо-гэгэна и столичные святыни. «И вот, — пишет Волков, — китайцы по пяти раз кряду бросаются в атаки, рядом с трупами китайских солдат находят тела их жен-монголок, сражавшихся бок о бок с мужьями. Монголы, в обычных условиях легко поддающиеся панике, разряжают, как на учении, винтовки. На русского всадника приходится иногда от десяти до пятнадцати китайцев».

На помощь призваны были и сверхъестественные силы. В Урге служили молебны, а какой-то лама, поднявшись на одну из сопок над полем сражения, размахивал шелковым хадаком, кружился в священном танце и творил заклинания, нейтрализуя злых духов и призывая добрых, чтобы с их помощью отвоевать победу.

Торновский руководил обороной центральной сопки, пока не был ранен в ногу — пуля навылет пробила голенную кость. Сменивший его бурят Очиров удерживал позицию до вечера, потом отступил и присоединился к Резухину, оборонявшему другую сопку. Утром следующего дня эту высоту тоже пришлось оставить под непрекращающимися атаками китайцев. Они уже были близки к тому, чтобы вырваться из узкой горловины, где не могли в полной мере использовать свой громадный численный перевес, но тут в тылу у них появился подошедший с севера полк Хоботова. Наступление замедлилось, и как раз в это время подоспел Унгерн.

Прибыв в Ургу 18 марта, он тотчас выехал на автомобиле к месту боев, но из-за снежных заносов добрался туда только через двое суток. Чахары и тибетский дивизион отстали от него на несколько часов. Утром 20 марта китайцы почти одержали победу, а к вечеру того же дня оказались в кольце окружения.

Пленный китайский офицер повез своему начальству предложение Унгерна о капитуляции на следующих условиях: сдать оружие и военное снаряжение, после чего все солдаты и мирные жители с их имуществом будут пропущены на юг и получат продовольствие на дорогу. Ма со своим штабом и старшими офицерами к тому времени успел бежать, пяти- или шеститысячной армией командовал полковник Чжоу. Он согласился капитулировать. Полученное от него письмо размножили и разослали на другие позиции; вечером Унгерн, горя нетерпением (выдержка вообще не входила в число его достоинств), лично, в полном одиночестве, отправился на переговоры во вражеский лагерь. По пути в него стреляли, но не попали, он благополучно добрался до Чжоу и вернулся в прекрасном настроении. Его китайского языка хватило на то, чтобы обговорить порядок капитуляции. Уже стемнело, поэтому сдачу оружия отложили до утра.

Среди ночи Князева, состоявшего в эти дни при Унгерне, разбудил сигнал тревоги. Поначалу «все недоумевали, почему так лихо заливается труба, так как вокруг царила мертвая тишина». Наконец стало известно, что чахары, выставленные в охранение, заснули, и ночью гамины убежали. Сам Чжоу и еще около тысячи человек предпочли «не испытывать судьбу», но остальные под прикрытием темноты покинули лагерь.