Захоплення Маньчжурії принципово міняло ситуацію на КВЖД. Дорога опинилася в зоні прямого контролю японських збройних сил. Радянський уряд сподівався за допомогою нейтралітету в японо-китайском конфлікті уберегти свої інтереси на дорозі. Радянській частині правління КВЖД було дано вказівку не допускати перевезень військ по дорозі, будь то китайських або японських. Проте обидві ворогуючі сторони, і передусім японська, робили це самовільно, силою захоплюючи потяги. Окрім цього японська сторона з початку 1932 р. стала наполегливо домагатися від СРСР офіційного дозволу на перевезення своїх військ. Виявившись під сильним тиском японців і не маючи можливості реально протистояти їх самочинним діям, Москва вимушена була в лютому 1932 р. уперше дозволити їм таке разове перевезення. Надалі ця практика неодноразово повторювалася і розглядалася як чистий комерційний захід.
Оскільки японські сили стали відкрито зазіхати на КВЖД і оскільки радянський уряд побоювався нападу Японії на СРСР весною-літом 1932 р., воно в березні того ж року неофіційно інформувало Токіо про готовність продати дорогу маньчжурській владі і тим ліквідовувати потенційне джерело конфлікту з Японією. Японська сторона зацікавилася цією ідеєю лише в серпні 1932 р. і запропонувала провести відповідні обговорення. Москва відповіла згодою, але переговори затягнулися із-за питання про ціну.
До весни 1933 р. положення на КВЖД погіршало із-за провокаційних дій маньчжурської і японської влади, місцевих бандитських формувань хунхузов і російських білогвардійців. Робота КВЖД була дезорганизована в результаті нападів грабіжників на потяги і залізничні споруди, зловмисних крахів потягів, вбивств і викрадень радянських службовців. Зважаючи на загрозливу обстановку радянська сторона весною 1933 р. переправила з КВЖД на територію СРСР близько сотні паровозів і декілька тисяч вагонів, що були її власністю. У відповідь маньчжурська влада блокувала повідомлення між КВЖД і Забайкальською і Усурійською залізницями в цілях запобігання подібній практиці надалі і захопили радянські транзитні вантажі.
2 травня 1933 р. нарком закордонних справ СРСР М. М. Литвинов заявив про готовність почати предметні переговори про продаж КВЖД. 26 червня 1933 р. в Токіо відкрилася радянсько-маньчжурська конференція з цього питання за участю японських спостерігачів. Після двох з половиною років переговорів радянська сторона понизила ціну з 250 млн. золотих рублів до 50 млн. Під час переговорів маньчжурська влада постійно влаштовувала провокації проти радянських службовців, незаконно заарештовували їх і піддавали побиттю. Серед постраждалих радянських громадян було декілька смертельних випадків. У Японії і Маньчжоу-го була розгорнута антирадянська кампанія. Тільки у березні 1935 р. документи про продаж КВЖД були підписані.
Радянський Союз поступився Маньчжоу-го усі права на КВЖД за 140 млн. ієн, які мали бути сплачені в три роки. Ще приблизно 30 млн. ієн маньчжурська сторона повинна була виплатити радянським службовцям дороги, що звільняються. Одна третина виплат здійснювалася в грошовій формі, а решта - постачаннями товарів. Причому з цієї однієї третини тільки половина виплачувалася відразу, а друга половина гарантувалася казначейськими зобов'язаннями Маньчжоу-го, що підлягали погашенню впродовж трьох років. Японський уряд зобов'язався гарантувати фінансові зобов'язання Маньчжоу-го у зв'язку з угодою по дорозі.