战斗进行了30多分钟，于9时50分结束，中国边防军打死打伤苏军60多人。据苏方的统计，苏军被打死31人。另外，中国边防军还击毁苏军装甲车1辆、指挥车1辆和卡车1辆，其余苏军人员退出珍宝岛。中国边防军阵亡17人，负伤35人，失踪1人。

当天，中国政府向苏联政府提交了抗议照会，指出：3月2日9时17分，苏联边防当局出动大批全副武装的军人、四辆装甲车和汽车，“公然侵入无可争议的中国领土珍宝岛地区，对正在执行正常巡逻的中国边防军人，进行猖狂挑衅，首先开枪开炮打死打伤我边防军人员多名。我边防军在多次向苏边防军警告无效、忍无可忍的情况下，被迫进行了自卫还击。这次严重流血事件，完全是苏联当局一手造成的。这是苏联当局长期以来蓄意侵犯中国领土，进行武装挑衅，不断制造流血事件中的又一次新的严重罪行。中国政府坚决要求苏联政府惩办这次事件的肇事凶手，立即停止侵犯中国领土和武装挑衅，并保留要求苏方赔偿我方一切损失的权利。”中国政府再次严正警告莫斯科：“中国的神圣领土是不容侵犯的，如果你们一意孤行，继续挑起中苏边境武装冲突，必将遭到中国人民坚决的回击，由此产生的一切严重后果，只能由苏联政府承担全部责任。”

3月4日，《人民日报》、《解放军报》发表了经周恩来修改的社论，指出：长期以来，珍宝岛地区一直在中国管辖之下，我国边防部队人员一直在这个地区进行巡逻。“怎么能够说珍宝岛地区突然跑到‘苏联国境线’那边去了呢？怎么能够说这块中国领土成了苏修边防军‘警卫’的地方呢？明明是苏修军队侵犯中国领土珍宝岛，向中国边防部队人员猖狂进攻，你们却反诬是中国边防部队人员发动‘挑衅’。”

同一天，哈尔滨市一百万军民冒着严寒，举行示威游行。中苏边境的呼玛、爱珲、萝北、饶河、虎林等地军民在集会上用大量耳闻目睹的事实，说明珍宝岛自古以来就是中国的领土。当地居民反映，他们祖祖辈辈一直在珍宝岛、卡脖子岛、七里沁岛上打鱼谋生，很多人还在珍宝岛上盖了房子。

尽管这次冲突引起了中国人的极大愤慨，但中国还是采取了较为克制的态度，而且在对外宣传方面也很注意分寸。当时，全国有亿多人参加了游行活动。3月4日，中共中央、国务院、中央军委发出通知，要求各地军民在游行中严格遵守中央的指示，做到不冲、不砸、不烧、不抓、不打苏联驻华使馆、机构和苏联在华人员。3月6日，周恩来将宣传部门送审的稿件中有关“苏修”的字眼改为“苏联”。他还多次指示边防部队，要严格按照“有理、有利、有节”的原则行事。

珍宝岛冲突发生后，苏军在远东地区进入了临战戒备状态。此后，苏军多次派出配备有装甲车的武装部队越过乌苏里江，于3月4日、5日、7日、10日、11日、12日和14日登上珍宝岛。同时，中国边防军继续上岛巡逻，但双方没有发生冲突。

当时任沈阳军区司令员的陈锡联回忆说，这次珍宝岛自卫反击战确实是经过中央批准，早有准备的。当时正准备开九大，大军区首长均已来到北京，因此，中央军委专门在京西宾馆开设了一个房间，架设了专线，由他负责直接与前线联系，外交部副部长乔冠华负责掌握国际方面的情报，随时向周恩来汇报，并由周恩来下最后决心。为了最初的战斗，我们准备了两三个月的时间，从三个军抽调了三个侦察连，一个连二三百人，由有作战经验的参谋人员带队，进行了专门的训练和配备，打得干脆利落。3月2日战斗结束后，“我们知道他们要来，就在江汊口大量埋了地雷。他们首先从西边来了辆坦克，我们给炸了，他们不敢走了。从正面来了30多人，炮火掩护。我们当时在岛上也没有什么人，但炮火都准备好了。在一个不到一平方公里的岛上，苏方出动了几十辆车、几十辆坦克、装甲车，我请示总理：现在是开炮的时候了，得到总理的同意，我就让开炮。打了半个小时，珍宝岛变成一片火海，把他们的车辆都打了。他们没有再增援部队，也用炮向我们射击，我们也用炮回敬他们”。