20 августа советско-монгольские войска перешли в наступление, что стало полной неожиданностью для японского командования. Артиллерийская подготовка продолжалась более шести часов. В это же время советская авиация проводила массированные налеты на позиции противника.

Японцы сражались упорно, и советскому командованию пришлось вводить в бой резервную Девятую мотоброневую бригаду. Командование противника не смогло определить направление главного удара. В результате 26 августа части и соединения его Шестой армии были окружены. После этого началось ее уничтожение по частям.

Японское правительство через посла в Москве обратилось к советской стороне с просьбой о прекращении боевых действий на монгольско-маньчжурской границе. 15 сентября 1939 года было подписано соответствующее соглашение между Советским Союзом, МНР и Японией.

Победа Красной армии на Халхин-Голе стала одной из главных причин отказа Японии от нападения на СССР во время Великой Отечественной войны. Это было, пожалуй, главным достижением советского командования в конфликте у Халхин-Гола.