Под руководством К. К. Рокоссовского бригада в составе Особой Дальневосточной армии (ОДВА) принимала участие в Маньчжуро-Чжалайнорской наступательной операции на КВЖД (Китайско-Восточная железная дорога). Бригаде предстояло глубоким охватывающим маневром выйти на южную окраину Чжалайнора и во взаимодействии со стрелковыми частями уничтожить в городе противника.
В час ночи 17 ноября 5-я отдельная Кубанская кавбригада выступила из поселка Абагайтуевский. По скользкому, но уже крепкому льду она перешла через Аргунь, и к 7 часам утра передовой 75-й кавалерийский полк вышел к линии железной дороги в тылу Чжалайнорского гарнизона. Когда об этом доложили Рокоссовскому, он отдал приказ: «Взорвать железнодорожное полотно! Вывести из строя телеграфную линию!»
На рассвете 17 ноября войска Забайкальской группы начали артиллерийскую подготовку, поддержанную ударами авиации с воздуха. Через час после ее начала красноармейцы, одетые в полушубки и валяные сапоги, перешли в наступление. Сильный мороз и пронизывающий степной ветер не являлись помехой для бойцов. На ходе наступления сказались недостатки, допущенные при подготовке операции, особенно невыполнение указания командующего ОДВА В. К. Блюхера о проведении воздушной разведки обороны противника. В результате наступающие неожиданно встретили окопы на южных подступах к Чжалайнору и противотанковые рвы. Части 36-й стрелковой дивизии продвигались без огневой поддержки, хотя командующий Забайкальской группой войск С. С. Вострецов и уверял В. К. Блюхера в ее твердом обеспечении. Один из танковых взводов остановился перед противотанковым рвом.
Появление 5-й отдельной Кубанской кавалерийской бригады в тылу китайских войск было, по всей вероятности, полной неожиданностью для них, потому что спустя буквально несколько минут после выхода кубанцев к железной дороге со стороны Чжалайнора показался поезд, следовавший на Хайлар. Так как саперы не успели взорвать путь, батарея кубанцев по приказу Рокоссовского, развернувшись, с открытой позиции несколькими снарядами остановила состав. Из вагонов в панике начали выскакивать офицеры и солдаты, которые, ведя беспорядочную стрельбу, бросились врассыпную. Их начал преследовать один из эскадронов 74-го кавалерийского полка, захвативший в плен 13 солдат и 16 офицеров.
Бригада Рокоссовского, захватив вражеский поезд, переправилась по льду через Мутную Протоку и овладела сопкой «Мать». После этого продвижение замедлилось, так как стрелковые части, которые должны были атаковать Чжалайнор с севера, еще не подошли. Противник предпринимал отчаянные атаки, пытаясь отбросить части 5-й отдельной Кубанской кавбригады. Однако Рокоссовский уверенно управлял боем, маневрируя огнем, переходя частью сил в контратаки. В 8 часов вечера Константин Константинович отвел свои части бригады с занимаемых позиций в район сопки «Мать», где они провели ночь под открытым небом, при низкой температуре и сильном северо-западном ветре.
Утром 18 ноября войска Забайкальской группы возобновили наступление. Авиация подвергла бомбовым ударам вражеские позиции, а артиллерия, учтя предыдущий опыт, обеспечила пехоте непрерывную огневую поддержку. К исходу дня части 35-й и 36-й стрелковых дивизий и 5-й отдельной Кубанской кавалерийской бригады сломили сопротивление чжалайнорской группировки противника. В. И. Чуйков, наблюдавший за действиями бригады Рокоссовского, отмечал:
Часть войск противника все же сумела вырваться из Чжалайнора и уйти на юг. В погоню за ними Рокоссовский отправил 75-й кавалерийстий полк, который настиг противника юго-западнее разъезда Аргунь и уничтожил его. В ночь на 19 ноября Забайкальская группа войск возобновила наступление и после ожесточенных боев овладела станцией Маньчжурия. Одновременно войска Приморской группы разгромили группировку противника в районе Мишаньфу. 22 декабря в Хабаровске между китайскими и советскими представителями был подписан протокол о восстановлении прежнего положения на КВЖД.