Подготовка операции проводилась в строжайшей тайне с широким применением оперативной маскировки и дезинформации. Командиры подразделений были введены в курс дела лишь за 3–4 дня до операции, а красноармейцы – в ночь на 20 августа, накануне наступления. В ходе подготовки были проведены мероприятия, чтобы создать у противника впечатление о предполагаемой зимовке наших частей: вбивались колья, строились проволочные заграждения, по радио передавались ложные требования о присылке кольев и проволоки, зимнего обмундирования. Причем распоряжения передавались по коду, известному японцам.
Японское командование рассчитывало начать «генеральное наступление» 24 августа 1939 г. Упредив противника на четыре дня, советско-монгольские войска утром 20 августа перешли в решительное наступление. Более 150 бомбардировщиков и мощная артиллерия обрушились на боевые порядки врага, его артиллерийские позиции. Около 100 советских истребителей прикрывали от ударов вражеской авиации сосредоточившиеся в исходных районах для наступления части ударных группировок советско-монгольских войск.
После мощной авиационной и артиллерийской подготовки, длившейся 2 часа 45 минут, в атаку двинулись советские танки. Вслед за ними по всему фронту на противника устремились советско-монгольские пехотные и кавалерийские части.
Удар авиации и артиллерии советско-монгольских войск оказался настолько мощным и внезапным, что противник в течение полутора часов не произвел ни одного артиллерийского выстрела, авиация не сделала ни одного вылета.
В то время как войска центрального участка фронтальными атаками сковывали главные японские силы, южная и северная ударные группировки советско-монгольских войск прорвали неприятельскую оборону на флангах и стремительным глубоким охватом начали окружать противника. Японское командование бросило против советско-монгольских войск большое количество танков, артиллерии и авиации. Под их прикрытием в контратаки все чаще стали переходить пехота и кавалерия. На всем фронте разгорелось ожесточенное сражение.
Несмотря на отчаянное сопротивление противника, к исходу первого дня серьезный успех был достигнут на внешних флангах южной и северной групп, где кавалерийские соединения советско-монгольских войск разгромили части японо-маньчжурской кавалерии и овладели намеченными рубежами вдоль государственной границы.
Оценив создавшуюся обстановку, командующий 1 – й армейской группой Г. К. Жуков принял решение ввести в сражение на северном направлении все силы резерва. Подвижная группа под командованием полковника И. П. Алексеенко, перейдя в наступление, к исходу 23 августа достигла Номон-Хан – Бурд-Обо и на следующий день вошла в огневую связь с частями южной группы. Японские войска были полностью окружены. Попытки японского командования прорвать кольцо окружения извне ударами подтянутых свежих резервов не увенчались успехом.
Советско-монгольское командование приступило к планомерному уничтожению окруженных японских войск. Одновременно с внешним фронтом окружения, состоявшим в основном из мотоброневых, кавалерийских, авиационных и частично стрелковых войск, перешедших к обороне вдоль границы, был образован внутренний фронт из стрелковых частей, наносивших по врагу сходящиеся удары.
Оказавшись в котле, японские войска отчаянно сопротивлялись, но 31 августа последние очаги их обороны были ликвидированы. После полного разгрома своей наземной группировки японское командование предприняло попытки нанести поражение советской авиации. Однако и этот замысел провалился. В течение первой половины сентября 1939 г. советские летчики провели ряд воздушных боев, в которых был уничтожен 71 японский самолет. Крупная группировка Квантунской армии перестала существовать. 16 сентября японское правительство вынуждено было признать поражение своих войск и попросило о прекращении военных действий. В боях на Халхин-Голе японцы потеряли около 61 тысячи убитыми, ранеными и пленными, 660 самолетов, значительное количество военного имущества. Трофеями советско-монгольских войск стали 12 тысяч винтовок, 200 орудий, около 400 пулеметов, более 100 автомашин. Японское командование в полном составе было вынуждено уйти в отставку. Были смещены командующий Квантунской армией генерал Уэда и начальник штаба армии генерал Мосиган.
По масштабу и характеру операция на Халхин-Голе была крупнейшей операцией для того времени современных армий, оснащенных новейшей военной техникой. На Халхин-Голе впервые были применены в массовом масштабе современные танки и авиация. В отдельных боях число машин исчислялось сотнями, а в решительные моменты боя в воздух поднималось до 300 самолетов. Создание внешнего и внутреннего фронта для ликвидации окруженного противника явилось новым вкладом в дальнейшее развитие военного искусства.