Войска южной группы смогли бы достигнуть и более существенных результатов в первый день наступления. Но батальоны 6-й танковой бригады, входившие в группу, задержались на переправе через Халхин-Гол. Весь день 20 августа был потрачен на переправу, и бригада вступила в бой только на следующий день.

Самые тяжёлые бои развернулись в первый же день операции на центральном участке фронта. Южнее Хайластын-Гола против перешедших в наступление 602-го и 603-го стрелковых полков 82-й дивизии оборонялись 28-й и 71-й японские пехотные полки. Основу обороны японских частей составляли сопка Песчаная и высота Зелёная. Сильно укреплённые, с окопами полного профиля, огневыми точками, артиллерийскими позициями и надёжными укрытиями, они представляли серьёзное препятствие для наступающих войск. Весь день советские полки вели упорные бои, но к исходу 20 августа смогли продвинуться только на 500—1000 метров, подойдя вплотную к этим узлам обороны. Севернее Хайластын-Гола в наступление перешла 5-я стрелково-пулемётная бригада и полки 36-й мотострелковой дивизии, которым противостояли три пехотных полка японской армии. Своими активными действиями они сковали противника, не дав ему возможности маневрировать силами. 24-й полк, при поддержке танкового батальона, начал наступление в юго-восточном направлении. Передовые огневые точки врага были уничтожены, и, пройдя с боями несколько километров, батальоны полка закрепились у подножия высоты, на которой был один из опорных узлов японской обороны.

Полки 6-й кавалерийской дивизии, переправившись утром 20 августа на восточный берег реки, нанесли удар по двум кавалерийским полкам баргутской конницы, которые, не выдержав удара, отошли за линию границы. Левый фланг северной группы войск был надёжно прикрыт. Боевые действия 6-й кавалерийской дивизии были отмечены 21 августа специальным приказом. За отличное выполнение поставленной задачи, проявленные отвагу и геройство командование армейской группы объявило благодарность всему личному составу дивизии.

601-й стрелковый полк при поддержке танкового батальона и гаубичного артиллерийского полка, переправившись через Халхин-Гол, начал наступление в восточном направлении. Пройдя несколько километров, батальоны подошли к высоте Фуи («Палец») — сильно укреплённому опорному пункту противника. Встретив яростное сопротивление японских частей, они окопались у подножия высоты и начали готовиться к штурму.

Подвижные части северной группы войск в составе 7-й мотоброневой бригады и танкового батальона переправились через реку у горы Баин-Цаган. Но вместо того чтобы достигнув границы, повернуть вдоль неё на юго-восток к Номон-Хан-Бурд-Обо, окружая японскую группировку, батальоны бригады вынуждены были выйти к южным скатам высоты Фуи и вступить в затяжные бои по овладению этим узлом обороны. Такой была обстановка к вечеру первого дня операции.

За первый день операции можно отметить два недостатка. В Южной группе войск: 1-я танковая бригада не выполнила задачи, задержалась на переправе и вступила в бой только утром 21 августа. На участке Северной группы наступающие части не смогли преодолеть оборону противника. Японские войска на высоте Фуи были оценены неправильно. Командование 7-й мотоброневой бригады, наблюдавшее за этой высотой, считало, что там только две роты японской пехоты, которые не окажут серьёзного сопротивления. В действительности это был сильный опорный пункт, хорошо оборудованный, с большим количеством пехоты и артиллерии, который пришлось уничтожать несколько дней, понеся большие потери. Командование советских частей на этом направлении явно недооценило противника.

Сообщения о ходе боёв в первый день наступления регулярно передавались в Москву. Телеграфная линия Хамар-Даба — Москва работала с полной нагрузкой. Задержка продвижения частей Северной группы у высоты Фуи вызвала серьёзное беспокойство и в Москве, и в штабе 1-й Армейской группы. В ночь на 21 августа 9-я мотоброневая бригада и танковый батальон 6-й танковой бригады, стоявшие в резерве у горы Хамар-Даба, получили приказ переправиться через Халхин-Гол, обойти в востока эту высоту и стремительным маршем вдоль границы замкнуть кольцо окружения японских войск севернее Хайластын-Гола.

Решение, которое принял командующий армейской группой, было очень смелым. На второй день операции в бой вводились почти все резервы. У горы Хамар-Даба оставалась только 212-я авиадесантная бригада — около тысячи парашютистов с несколькими 45-мм орудиями. Ближайший резерв — монгольская мотоброневая бригада — находился в Тамцак-Булаке в 140 километрах от фронта. Но такое решение было оправданным. Кольцо окружения войск 6-й японской армии должно было замкнуться у Номон-Хан-Бурд-Обо. К этой высоте в монгольской степи и устремились советские броневики и танки.

Делало выводы после первого дня операции и японское командование. Командир 23-й пехотной дивизии генерал Камацубара решил, что главный удар советско-монгольские войска наносят по правому флангу японского фронта. Уже после победы среди захваченных трофейных документов был найден его приказ, датированный 20 августа: «Противник наступает равномерно по всему фронту, а главный удар наносит на северном участке на высоту Фуи». На самом деле главный удар наносила южная группа, где были сосредоточены крупные подвижные части и где в первый же день операции наметился серьёзный успех.

Основную роль при окружении сыграли 8-я и 9-я мотоброневые бригады, имевшие по 80 пушечных бронеавтомобилей, и 6-я танковая бригада, имевшая 202 танка и 26 бронеавтомобилей. 8-я мотоброневая бригада, выйдя к реке Хайластын-Гол к исходу 21 августа, отрезала пути отхода группировки противника, действовавшей южнее этой реки. Аналогичную роль сыграла и 9-я мотоброневая бригада. Вступив в бой утром 21 августа, к вечеру следующего дня она вышла своими передовыми частями к Хайластын-Голу, а к утру 24 августа закрепилась на этой реке, отрезав группировке противника, действовавшей севернее, пути отхода на восток и северо-восток.

Остальные части Северной группы продолжали блокировать опорный пункт. Этот центр сопротивления был хорошо укреплённым районом с круговой обороной. Этот район занимали: разведотряд 23-й дивизии, рота пехоты, сапёрная рота и три батареи. Три дня этот район сопротивлялся и только 23 августа был уничтожен. Для его ликвидации были подтянуты два артиллерийских дивизиона. После ожесточённого боя противник оставил более 600 трупов. Пленных не было. Остальные японские части, оборонявшиеся севернее Хайластын-Гола, были оттеснены к высоте Ремизова и там блокированы.

Уже после первого дня операции в Москве были обеспокоены создавшейся обстановкой на Халхин-Голе. И после получения и анализа донесений командования группы в Монголию было отправлено очередное указание командованиям Фронтовой и Армейской групп. В этой директиве, подписанной Ворошиловым и Шапошниковым, отмечалось, что охватывающее положение даёт возможность концентрическим артиллерийским огнём громить противника на центральном участке и после хорошей артиллерийской обработки, дробя его по частям, уничтожать отдельные узлы сопротивления. Предвидя, что бои будут жаркими и длительными, а потери большими, Москва предупреждала Жукова: «Не бросайте части в атаку на не разрушенные узлы обороны, щадите людей — думайте об этом». Указания писал, конечно, Шапошников — Ворошилов только подписывал. И зная, что у Жукова военного образования нет и опыта проведения крупных наступательных операций на окружение тоже нет, начальник Генштаба старался подстраховаться внимательно следя за обстановкой на Халхин-Голе. И поэтому в этой директиве, отправленной 21 августа, были и такие указания: «особое внимание обратить на прикрытие флангов и тыла наших обходящих частей. Нужно иметь на флангах (на левом обязательно) резервный кулак для парирования возможного контрудара противника в центр и по нашему левому флангу» (52). Но свободных частей для создания резервного кулака, как того требовала Москва, у Жукова уже не было. Последние крохи в виде двух рот пограничников были брошены в бой. К счастью, единственная попытка деблокировать окружённые японские части была предпринята японским командованием на правом фланге, а там бронетанковой техники было больше, и японские войска были отброшены на маньчжурскую территорию.