Особое внимание было уделено проведению широкомасштабной дезинформации противника. С вечера 12 августа началось строительство окопов и позиций на участках частей и соединений первого эшелона, а на участках 36-й мотострелковой и 82-й стрелковой дивизий возводились ложные мосты. Всем бойцам 13 августа были розданы памятки об обороне, а из района 36-й мотострелковой дивизии была дана ложная телеграмма, содержавшая сведения о подготовке оборонительных работ. Одновременно с 2 часов ночи до 2 часов 45 минут с 14 по 17 августа передавались ложные сводки о проделанной работе по инженерному оборудованию местности. До 15 августа запрещалось проводить какие-либо сосредоточения на флангах. Выдвижение войск осуществлялось только в ночное время под шум моторов. С целью приучить противника „к шуму моторов и гусеничному шуму“ южнее горы Хамар-Даба, в районе центральной переправы, осуществлялись демонстративные передвижения танков и тракторов до 16 августа включительно.

Начало операции было назначено на воскресенье, 20 августа. Командующий 6-й японской армией, введенный в заблуждение системой мер по дезинформации, не ожидал в ближайшие дни наступления советских и монгольских войск, а потому разрешил генералам и старшим офицерам воскресные отпуска.

Успех предстоящей операции во многом зависел от пополнения войск, их тылового и материально-технического обеспечения. Потери 1-й армейской группы (до этого — 57-го особого стрелкового корпуса) за период с 16 мая по 25 июля составили 5010 человек. За это время были почти израсходованы все боеприпасы, запасы продовольствия, горючего. Трудность состояла в том, что подвоз подкреплений и всего необходимого осуществлялся в условиях бездорожья и большой удаленности района боевых действий от железной дороги. Несмотря на это, в течение месяца на расстояние около 750 км на автомобилях было доставлено около 50 тыс. тонн различных грузов и до 18 тыс. человек. Для усиления 1-й армейской группы были переброшены 6-я танковая бригада, части 57 и 65-й стрелковых дивизий, зенитный полк, авиадесантная бригада, другие соединения, части и подразделения различного назначения. К началу операции в районе боевых действий были созданы необходимые запасы: для наземных войск — до 6 боекомплектов и до 6 заправок горючего; для авиации — не менее 5 заправок для бомбардировщиков и 12–15 заправок — для истребителей. В Тамцак-Булаке для приема раненых развертывались дополнительные места на 1000 коек, а также еще один эвакуационный госпиталь.

20 августа в 5 часов 45 минут по позициям японских войск и их союзников был нанесен массированный бомбовый удар, в котором участвовало свыше 200 бомбардировщиков под прикрытием более 300 истребителей. Затем в течение 2 часов 45 минут более чем 200 орудий провели мощную артиллерийскую подготовку. За 15 минут до перехода в атаку пехоты и танков 45 бомбардировщиков нанесли повторный удар по противнику, а артиллерия сосредоточила огонь по его переднему краю обороны. В результате удалось подавить значительную часть артиллерийских и зенитных средств и уничтожить часть боеприпасов противника. В 9 часов советские войска совместно с монгольскими частями перешли в наступление, которое, как отмечалось в отчете штаба 1-й армейской группы, оказалось совершенно неожиданным для японского командования. С этим трудно согласиться, так как противник сумел быстро прийти в себя и оказал упорное сопротивление. Южная группа войск смогла к исходу дня овладеть большими песчаными буграми в 10 км юго-восточнее Номон-Хан-Бурд-Обо. Части 82-й стрелковой и 36-й мотострелковой дивизий продвинулись на отдельных участках только на 0,5–1 км. Северная группа войск на правом фланге захватила пески в 4 км восточнее горы Баин-Цаган, а левым флангом вышла к государственной границе. Продвижение в центре, где противник создал сильно укрепленную оборону, было незначительным. И только 23 августа Центральная группа войск сумела прорвать оборонительные позиции врага. Видимо, незначительное продвижение частей 1-й армейской группы создало у командира 23-й пехотной дивизии генерала Камацубары иллюзию того, что она ведет „назойливое наступление в направлении обоих флангов“. Не видя в этом большой опасности, генерал Камацубара потребовал 22 августа от своих подчиненных, „громя на передних позициях противника“, вести подготовку к последующему наступлению.

Ошибка генерала Камацубары стоила ему поражения. К исходу 23 августа войска 1-й армейской группы, пользуясь растерянностью противника, окружили 4 вражеских полка. К концу следующего дня противник оказался в полном оперативном окружении, имея лишь выход на северо-восток шириной 6–7 км, простреливаемый огнем артиллерии, танков и бронемашин. В ночь на 25 августа Жуков ввел в сражение из своего резерва 9-ю мотобронебригаду. Она нанесла удар в направлении Номон-Хан-Бурд-Обо и овладела северным берегом р. Хайластын-Гол, превратив тем самым оперативное окружение в тактическое. В 14 часов 30 минут того же дня войска 1-й армейской группы перешли в общее наступление и, встречая лишь незначительное сопротивление противника, в течение двух дней завершили его разгром. В последующем, до 31 августа, продолжалось уничтожение уцелевших мелких подразделений.

Халхин-гольский „котел“ до основания потряс Квантунскую армию: ее командование в полном составе было вынуждено подать в отставку. Как известно, попав в безвыходное положение, японское правительство запросило перемирия. В результате переговоров, проходивших в Москве между наркомом иностранных дел В. М. Молотовым и японским послом С. Того, обе стороны пришли к соглашению о том, что японо-маньчжурские и советско-монгольские войска 16 сентября в 14 часов по московскому времени прекращают всякие военные действия, оставаясь на занимаемых ими рубежах. Урок, преподанный японским войскам на берегах р. Халхин-Гол, отрезвляюще подействовал на японское правительство, которое не рискнуло напасть на СССР ни в 1941 г., ни позже.

Операция завершилась, и пора подводить итоги. В капитальном труде, подготовленном сотрудниками Генерального штаба и Военно-мемориального центра Вооруженных Сил Российской Федерации на основе архивных документов, отмечается, что японцы потеряли около 61 тыс. человек убитыми, ранеными и пленными, в том числе только убитыми около 25 тыс. человек. Потери советских войск составили: безвозвратные — 6472 человека убитыми и умершими от ран на этапах санитарной эвакуации, 1160 умершими от ран в госпиталях и от болезней, 2028 пропавшими без вести и 43 погибшими в катастрофах и в результате происшествий; всего 9703 человека, или 14 % от общей численности войск; санитарные потери — 15 251 раненый, контуженный и обожженный и 701 заболевший; всего 15 952 человека, или 23,1 % от общей численности.

Что же нового дала операция советских войск в районе р. Халхин-Гол для развития военного искусства?

Об этом можно судить из выступления Г. К. Жукова в декабре 1940 г. на совещании высшего командного состава РККА. Он, оценивая итоги Халхин-гольской операции, отмечал, что первый период операции характеризовался полной неподготовленностью театра военных действий к войне, слабой подготовленностью 57-го особого стрелкового корпуса и абсолютно слабой готовностью к войне частей монгольской армии. Далее Георгий Константинович, говоря о „генеральной наступательной операции“, проведенной 20–29 августа, сказал: „Эта операция является небольшой операцией, но она является современной операцией, достаточно поучительной как с точки зрения ее организации, материального обеспечения, так и ее проведения. К этой операции командование готовилось достаточно серьезно, она была продумана всесторонне как с точки зрения оперативной, так и с точки зрения материального обеспечения, с точки зрения оперативно-тактической внезапности“.