Ввиду осложнившейся обстановки все наши резервы были немедленно подняты по боевой тревоге и получили задание сразу же выступить в общем направлении к горе Баин-Цаган и атаковать противника, 11-я танковая бригада под командованием комбрига М. П. Яковлева получила приказ атаковать противника с ходу. 24-му мотострелковому полку, усиленному дивизионом артиллерии, под командованием полковника И. И. Федюнинского было приказано атаковать противника, взаимодействуя с 11-й танковой бригадой, 7-я мотоброневая бригада под командованием полковника А. Л. Лесового предназначалась для удара с юга. Сюда же подтягивался броневой дивизион 8-й монгольской кавдивизии.
Рано утром 3 июля советское командование прибыло в район горы Баин-Цаган. Тяжелому артиллерийскому дивизиону 185-го артиллерийского полка было приказано выбросить разведку к горе Баин-Цаган и открыть огонь по японской группировке. Одновременно был дан приказ артиллерии, расположенной за рекой Халхин-Гол (поддерживавшей 9-ю мотобронебригаду), перенести свой огонь по противнику на горе Баин-Цаган. По тревоге была поднята в воздух вся наша авиация.
В 7 часов утра подошли первые группы нашей бомбардировочной и истребительной авиации, начавшие бомбить и штурмовать гору Баин-Цаган. Нам было очень важно сковать и задержать противника ударом авиации и артиллерийским огнем на Баин-Цаган до подхода сюда резервов для контрудара.
Чтобы затормозить дальнейшую переправу и сосредоточение сил противника в районе горы, было приказано усиленно бомбить и непрерывно обстреливать артиллерийским огнем_ переправу через реку Халхин-Гол.
Около 9 часов утра начали подходить передовые подразделения авангардного батальона 11-й танковой бригады.
Соотношение сил непосредственно в районе Баин-Цаган складывалось следующее.
Противник успел сосредоточить на горе Баин-Цаган более десяти тысяч штыков; советские войска имели возможность сосредоточить более тысячи штыков; в японских войсках было около 100 орудий и до 60 противотанковых орудий. У нас - немногим более 50 орудий, включая поддерживавшие с восточного берега реки Халхин-Гол.
Однако в наших рядах сражалась 11-я героическая танковая бригада, имевшая до 150 танков, 7-я мотоброневая бригада, располагавшая 154 бронемашинами, и 8-й монгольский бронедивизион, вооруженный 45-мм пушками.
Таким образом, главным нашим козырем были бронетанковые соединения, и мы решили этим незамедлительно воспользоваться, чтобы с ходу разгромить только что переправившиеся японские войска, не дав им зарыться в землю и организовать противотанковую оборону. Медлить с контрударом было нельзя, так как противник, обнаружив подход наших танковых частей, стал быстро принимать меры для обороны и начал бомбить колонны наших танков. А укрыться им было негде - на сотни километров вокруг абсолютно открытая местность, лишенная даже кустарника.
В 9 часов 15 минут мы встретились с командиром 11-й танковой бригады М.П. Яковлевым, который был при главных силах авангардного батальона и руководил его действиями. Обсудив обстановку, решили вызвать всю авиацию, ускорить движение танков и артиллерии и не позже 10 часов 45 минут атаковать противника. В 10 часов 45 минут главные силы 11-й танковой бригады развернулись и с ходу атаковали японские войска.
Вот что записал об этих событиях японский солдат Накамура в своем дневнике 3 июля:
"Несколько десятков танков напало внезапно на наши части. У нас произошло страшное замешательство, лошади заржали и разбежались, таща за собой передки орудий; автомашины помчались во все стороны. В воздухе было сбито 2 наших самолета. Весь личный состав упал духом. В лексиконе японских солдат все чаще и чаще употребляются слова: "страшно", "печально", "упали духом", "стало жутко".
Бой продолжался день и ночь 4 июля. Только к 3 часам утра 5 июля сопротивление противника было окончательно сломлено, и японские войска начали поспешно отступать к переправе. Но переправа была взорвана их же саперами, опасавшимися прорыва наших танков. Японские офицеры бросались в полном снаряжении прямо в воду и тут же тонули, буквально на глазах у наших танкистов.
Остатки японских войск, захвативших гору Баин-Цаган, были полностью уничтожены на восточных скатах горы в районе спада реки Халхин-Гол. Тысячи трупов, масса убитых лошадей, множество раздавленных и разбитых орудий, минометов, пулеметов и машин устилали гору Баин-Цаган. В воздушных боях за эти дни было сбито 45 японских самолетов, в том числе 20 пикировщиков.
Командующий 6-й армией японских войск генерал Камацубара (в свое время он был в Советском Союзе военным атташе), видя, как развиваются события, еще в ночь на 4 июля отступил со своей опергруппой на противоположный берег. Отход с поля сражения японского командующего и его окружения так описал в своем дневнике старший унтер-офицер его штаба Отани: