Выполняя приказ командования, главные силы 11-й танковой бригады совместно с бронедивизионом 8-й кавалерийской дивизии Монгольской Народно-революционной армии около 11 часов 3 июля развернулись и с хода атаковали японцев: 1-й батальон 11-й танковой бригады, охватывая гору Баин-Цаган с северо-запада, атаковал противника во фланг и в тыл, а 3-й батальон этой бригады и бронедивизион 6-й кавалерийской дивизии (18 БА-6) атаковали с запада, зажав таким образом неприятеля в стальное танковое полукольцо.

Маршал Советского Союза Г. К. Жуков в своих «Воспоминаниях и размышлениях» писал о том бое:

Японский солдат Накамура так описал в своем походном дневнике бой 3 июля у подножия горы Баин-Цаган:

Противник оказался окруженным в районе горы Баин-Цаган с северо-запада, запада и юга. С востока протекала река.

Сумев быстро укрепиться на горе Баин-Цаган и организовав противотанковую оборону, японцы оказывали упорное сопротивление. Бой длился весь день 3 июля.

В конце дня, около 19 часов, наши войска предприняли одновременную атаку с трех сторон. Однако противнику удалось отразить ее. Бой продолжался и ночью.

Начавшиеся трехдневные бои за обладание горой Баин-Цаган оказались бескомпромиссными. С обеих сторон в них участвовало до 400 танков и бронемашин, более 800 артиллерийских орудий, сотни самолетов. Особенно отличились 149-й и 24-й стрелковые полки под командованием майора И. М. Ремизова (ему посмертно было присвоено звание Героя Советского Союза) и И. И. Федюнинского. Японцы постоянно атаковали, стремясь вернуть себе инициативу в боях, но комкор Г. К. Жуков и начальник штаба 57-го отдельного корпуса комдив М. А. Богданов быстро реагировали на малейшее изменение обстановки на берегах Халхин-Гола.

Поскольку наступавшие японские войска имели заметное численное превосходство, к ночи 3 июля советские войска отошли к Халхин-Голу, сократив свой плацдарм к востоку от ее берега. Однако ударная группировка японцев под командованием генерал-лейтенанта Ясуоки со своей задачей не справилась.

4 июля враг сам пытался перейти в контратаку. В то же время его авиация большими группами стремилась нанести удар с воздуха, чтобы деморализовать советско-монгольские войска. Но наши летчики преградили путь вражеской авиации и в развернувшемся воздушном бою обратили ее в бегство. Встреченная ураганным огнем артиллерии контратака противника захлебнулась.

Вечером 4 июля наши части предприняли третью общую атаку по всему фронту. Ожесточенный бой затянулся на всю ночь. Напрягая последние усилия, японцы стремились во что бы то ни стало удержать в своих руках гору Баин-Цаган.

К вечеру 4 июля японские войска удерживали только вершину Баин-Цаган — узкую полоску местности в 5 километров длиной и 2 километра шириной. На этом участке были сосредоточены все силы японцев, которые переправились на западный берег Халхин-Гола. Бои на Баин-Цаган не утихали весь вечер и всю ночь.

К 3 часам 5 июля сопротивление врага было наконец сломлено. Не выдержав натиска советско-монгольских частей, в особенности наших танков, противник в беспорядке устремился на восточный берег Халхин-Гола. Единственный понтонный мост, наведенный японцами для переправы, был ими же преждевременно взорван.

Охваченные паникой японские солдаты и офицеры бросались прямо в воду и тонули на глазах наших танкистов.

Только болотистые берега и глубокое русло Халхин-Гола помешали нашим танкам и бронемашинам переправиться на восточный берег реки. Остатки японцев на западном берегу были уничтожены в рукопашной схватке. В районе горы Баин-Цаган противник потерял тысячи солдат и офицеров, а также огромное количество вооружения и боевой техники. Наши летчики сбили за время боев в районе Баин-Цаган 45 японских самолетов.

Таким образом, японцы, стремясь глубоким маневром в обход окружить и уничтожить советско-монгольские части, сами попали в окружение, которое закончилось разгромом их главной группировки. Боевые действия советско-монгольских войск в районе Баин-Цаган являются блестящим примером активной обороны наших войск, завершившейся решительным поражением ударной группировки врага. Основную роль в разгроме противника сыграли танки и бронемашины. Опыт боев показал, что эти быстро подвижные средства, сочетая в себе маневренность и ударную силу, могут быть с не меньшим эффектом использованы не только в наступлении, но и в обороне. Необходимыми условиям для этого являются правильная постановка боевых задач, соответствующая боевым свойствам этого оружия, умелое управление бронетанковыми соединениями со стороны общевойсковых и танковых начальников, четкая и правильная организация взаимодействия с другими родами войск.