过界之后的第二天，正是中午时刻，太阳当顶，阳光给人几分温暖。一名苏联边防军官来找周保中，两人热烈握手。他知道周保中能说俄语后，更是高兴。他告诉周保中说：广西南宁已被中国军队收复。根据毛泽东关于抗战三阶段的著名论述，他深信不久日本侵略军一定会被中国完全打败。
接着第三天，苏联远东军区派了一个中校军官正式来接待周保中一行，并转告：苏方请抗联战士到小黑河边防军驻所附近扎营休整。
自此，抗联第二路军总部越界入苏，抗联第二路军的抗日斗争即将掀开新的一页。
第7军改编为第2支队后，周保中、崔石泉和王汝起、王效明共同制定了第2支队1940年游击活动计划，决定采取分散游击战的方法开展斗争：由支队长王汝起率1大队到大旗杆、同江和富锦边界处活动；由政治部主任王效明率教导大队和2大队一部向密山、勃利方向侦察敌情，开展游击活动；由隋长青率2大队2中队留在虎饶地区活动，并担负各部的联络任务。
支队长王汝起率队赴大旗杆之前，先派副支队长刘雁来和彭施鲁带小队为先遣队，提前到达该地，为后续部队开展游击活动创造条件。先遣队先通过当地以种罂粟为生的四五十户农民，筹集了给养。5月，王汝起在率1大队主力开赴大旗杆的途中，得知大岱河驻有四十多名伪警察，每天到秃山头附近巡逻，监视伐木工人。王汝起决定消灭这股敌人。他率队埋伏在秃山头东南方离大岱河约五六公里的树林中。5月24日，敌30名进入埋伏圈，抗联伏兵急起开火，经两小时战斗，毙敌5名，伤3名，俘9名，缴获轻机枪1挺，步枪17支，子弹700粒。第2支队亦受严重损失，阵亡6人。支队长王汝起受重伤，战后当天牺牲于托窑山。1大队指战员怀着悲愤的心情掩埋好支队长的尸体，继续奔赴大旗杆与先遣队会合。
王汝起是个深受指战员拥戴的干部，"凡吉东抗日军民无不知其人、敬其人"。周保中曾为王汝起写长篇祭文，称王汝起是"最堪寄莫大希望之布尔什维克有力干部，其损折实深是追想","噩耗骤传，殊是震动人心"。战斗结束后，敌人一个连在叛徒王凤林引领下，对第2支队进行尾追。敌人在托窑山将王汝起尸体挖出，运至饶河县城宣传他们的"胜利"。
第2支队政治部主任王效明率教导大队和2大队部分战士在虎林境内展开活动。9月，王汝起牺牲后，王效明继任支队长，刘雁来兼任1大队长。14日，支队长王效明率队从大旗杆到宝清第五区七星河镇引导伪军第30团3营两个连暴动，获重大胜利。原驻该镇伪军第30团机枪连班长杨清海和高海山、胡景全、杨振华等人密谋组织哗变，派胡景全、高海山秘密来到大旗杆要求第2支队前去接应。第2支队以三路展开进攻，和杨清海里应外合，将该镇伪机枪连连长和日军教官打死，其余一百四十余名伪军全部被俘虏，获重机枪4挺，轻机枪3挺，步枪160支，手枪4支，手榴弹两箱，弹药六万余发，军马20匹，布300匹，大衣40件及其他军需品甚多。接着，第2支队又袭击离星河镇三四公里远的伪军迫击炮连。敌惊慌失措，向密山方向溃逃。第2支队在追击中歼敌多人，获装满18辆马车的军需物资和粮食，迅速转移到宝清东部沼泽地。日军于第二天曾派飞机数架跟踪，进行轰炸、扫射。第2支队所获马匹、物资稍有损失。不少哗变伪军在混乱中逃跑。宝清之敌随后又集中日军骑兵二百余人和伪警察五百余人，在大旗杆、七星河镇一带搜索抗联第2支队。第2支队迅速从水林子、老等窝转移到饶河沟里，摆脱了敌人的跟踪。转移途中，第2支队还在独木河南伏击伪军一个排，缴获1挺机枪，四十多支步枪。
这年秋天，日伪军以几万兵力在佳木斯以东松花江下游地区"讨伐",第2支队处境险恶，不得不迅速返回饶河。敌为断绝抗联第2支队的给养，已开始封山。第2支队在饶河蛤蟆顶子等三处所种庄稼和蔬菜、储存的粮食全部被敌毁坏。指战员们靠自身携带的肉干充饥肉干很快吃尽。部队不得不派人到贮存青菜的地里寻找可以拣回食用的蔬菜。他们储存的萝卜已被敌从地窖中挖出，并将其剁成碎片扔掉。他们把这些萝卜碎片收集起来分给指战员。每人靠这几斤萝卜片充饥，一直吃了七八天，个个体力不支，面黄肌瘦，但指战员们仍以顽强毅力与敌周旋。
为摆脱敌人的围困，第2支队决定出击密山。当时，密山和虎林一带有许多日本移民屯垦区。第2支队到达密山地区后，通过在炭窑中干活的老百姓了解了当地的敌情，决计于夜间兵分两路，突袭密山北部与虎林交界处的日本武装移民屯子。但由于消息走漏，屯中的人大多逃走。第2支队在夜袭中，击毙顽抗的日本人头目，获大批粮食和军用棉大衣，随后用当地牛、马驮着粮食迅速撤离密山，返回饶河。
教导大队在崔勇进、彭施鲁率领下，担负迷惑敌人、掩护主力部队转移的任务，并转战到宝清方向的蛤蟆通河上游。大队经一夜行军，于第二天到达托腰布准备宿营，突遭敌两路夹击。教导大队迅速占领附近山头，顽强打退敌人多次冲锋，敌死伤多人。夜幕降临后，教导大队机智地跳出了敌人的包围圈，转移到土顶子，又遭敌人追击、堵截。教导大队指战员英勇突围，转移到大穆河。
1940年9月10日，周保中写信给王效明，明确指示："特别要保持游击队现有的生存活动和实力"，必要时可"直接找王新林同志方面的联系和他的指导"。11月2日，周保中再次写信向王效明通报敌情，告知他们"现在大木河、小木河、七虎林河口、三人班、土顶子东、柚松顶南，都有日贼军不断出没搜索和封锁","你们若困难执行指示，可以照九月十一日的指示信的原则方针，设法保持2支队的实力"。
第2支队经过夏、秋两季的游击活动，由于敌军不停顿地追击，历经艰难险阻，部队处在极其疲惫的状态，何况弹尽粮绝，掉队、战死、逃亡、冻死、饿死及被俘的日渐增多。至年底部队只剩下五六十人，敌人仍在不断尾追"围剿"，第2支队危在旦夕。为执行总指挥周保中的指示，保存实力，第2支队决定转移。11月末，第2支队留副支队长刘雁来率十余名队员继续在饶河大叶子沟搜集敌情；12月，王效明率大队主力在饶河过乌苏里江到达苏联的比金整训待命。
当第二路军总部直属部队和第2支队在中东铁路以北相互配合、开展小群游击战的时候，深入到穆棱、宁安地区的抗联第5军和一直活动在五常、舒兰、榆树等县的抗联第10军，尚未按两省委代表会议精神进行缩编。他们不仅未能和第二路军总指挥部取得联系，而且第5、第10军相互之间的联系也已断绝，只是依自己的实际情况，在当地坚持游击战争。柴世荣率领下的抗联第5军军部教导团及第1、第2师部分队伍，在经历1939年冬到1940年夏秋反"讨伐"作战后，人员大部丧失，柴世荣本人两度率余部入苏。其间，他率部返回国内，与季青所部及第一路军第一方面军一部合力攻打了东宁杨木桥子木营。1940年9月以后，第二路军在道南的部队中，只有季青率第5军部队向东宁老黑山沟转移，继续在珲春、汪清一带坚持战斗。抗联第10军在军长汪雅臣牺牲后基本解体。
至此，到1940年年底，抗联第二路军在东北的战斗历程宣告结束。