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。
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。没曾想，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，中国边防军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。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”。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：苏联政府“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。”
