1900年义和团运动爆发后，对东北早有野心的俄国立刻抓住了这个趁火打劫的绝佳时机。以“保护中东铁路”为借口，在参与八国联军侵华的同时，单独向东北发动了大规模进攻。
对于这个军事行动，俄国准备可谓充分。6月17日八国联军侵占大沽，6月23日尼古拉二世就命令进行战争动员。7月6日，沙皇尼古拉二世自任总司令，陆军大臣库罗巴特金为总参谋长，并在远东地区组建了西伯利亚第一、二、三军和登陆军，共计13.5万人，装备328门火炮的部队，准备对东北发起进攻。与此同时，中东铁路公司也将东三省铁路沿线的护卫队从6千人扩充到1.1万人，以配合俄军即将发起的军事行动。
7月9日，库罗巴特金正式下令俄军发起进攻，俄军随即兵分五路，从呼伦贝尔、瑷珲、伯力、珲春、旅顺五个方向同时攻入东北。其战略目标是迅速夺取齐齐哈尔、哈尔滨、吉林、沈阳等重镇，控制东北全境。
俄军所到之处，清军与义和团进行了顽强抵抗，但是由于双方实力相差悬殊，加上清政府高层战守不定，最终未能阻挡住俄军的攻势。至1900年10月，东北主要城市和交通线均被俄军控制。俄国由此实现了对东北全境的军事占领，并试图造成永久吞并的既成事实。
所以当列强和清政府进行谈判时，俄国驻华公使格尔思多次秘密与清政府全权谈判代表李鸿章和庆亲王就东北问题单独接触，提出了一系列苛刻条件，包括俄军继续维持对东北的军事占领、解除东北地区清军的武装、东三省清军只能聘用俄国教官、赔偿在义和团运动中的损失等等。为了促使李鸿章和庆亲王接受这份苛刻的条约，一些资料还提及俄国特意拨了一笔专款，试图进行贿赂。
不过李鸿章除了愿意赔偿损失外，他拒绝了大部分俄国人提出的条件。未能完全如愿的俄国没有放弃自己的野心，在外交上的施压却愈发露骨，甚至在李鸿章病危之际，俄国公使仍站在床头逼迫他签字。面对如此绝境，李鸿章深知单凭清政府无力抗衡，于是私下将俄国提出的苛刻条件泄露给了其他国家。
英国随即联合美国、日本等国对俄国提出警告。尤其是在甲午战争后三国干涉还辽事件中吃了大亏，同样对中国东北虎视眈眈的日本更是向总理衙门许诺，日本愿意协助清政府促使俄军撤出东北。
英日等国干涉此事当然不是为了替中国主持公道，而是出于自身地缘利益的考量：英国担心俄国威胁其在远东地区的利益，日本则单纯是将东北视为自家禁脔。不过在英、日、美等国的强力外交施压下，1902年4月，俄国还是被迫与清政府签订《交收东三省条约》，约定分三期撤军。最终俄国这次对东北的军事行动，落了个虎头蛇尾的结果。