Развернувшись в боевой порядок, в 13 часов 30 минут южнее озера Хуху-Усу-Нур 24-й полк перешел в наступление, нанося удар с запада на восток. Несколько позже вступила в бой 7-я мотоброневая бригада полковника Лесового.
Японцы отбивались от наших атак отчаянно. Но грозная лавина танков, бронемашин и пехоты все дальше и дальше продвигалась вперед, ломая и громя все, что попадало под гусеницы танков, огонь артиллерии, под удар пехоты.
Японцы бросили всю свою авиацию против атакующих наших войск, но ее встретила и атаковала наша авиация. Бой с неослабевающей силой продолжался всю ночь.
Утром, подбросив за ночь свежие силы, японцы попытались перейти в наступление, но эта их попытка была немедленно подавлена».
Японский солдат Накамура так описал в своем походном дневнике бой 3 июля у подножия горы Баян-Цаган:
«Несколько десятков танков напали 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 употреблялись слова „страшно“, „печально“, „упали духом“, „стало жутко“.
Начавшиеся трехдневные бои за обладание горой Баян-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 Жуков и начальник штаба 57-го отдельного корпуса комдив М.А. Богданов быстро реагировали даже 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.
Об ожесточенности боев за высоту Баян-Цаган свидетельствует такой факт. До 16.00 второго дня боев — 4 июля стрелковый полк Федюнинского отбил около десятка вражеских атак, которые не раз переходили в штыковые, рукопашные схватки. Инициатива полностью перешла к советско-монгольским войскам, и японцам пришлось перейти к обороне, однако гору удержать они не смогли. Они атаковывались теперь с трех сторон, имея за спиной реку Халхин-Гол, и в результате оказались в полуокружении.
В районе горной вершины все три дня боев шли многочисленные воздушные схватки. Японская авиация в небе над Баян-Цаганом потеряла 45 самолетов, в том числе 20 пикировщиков. Последние безуспешно старались оказать поддержку с воздуха своим наземным войскам. С каждым налетом японским летчикам приходилось все труднее — противник встречал их без промедления и сразу же начинал теснить в сторону Маньчжоу-Го, к своим аэродромам.
К вечеру 4 июля японские войска удерживали только вершину Баян-Цагана — узкую полоску местности в пять километров длиной и два километра шириной. На этом участке сосредоточились все силы японцев, которые переправились на западный берег Халхин-Гола. Бои на Баян-Цагане не утихали весь вечер и всю ночь.
Под утро 5 июля японские войска дрогнули и, несмотря на категорические приказы своих командиров драться до последнего, начали отступать с горной вершины по крутым скатам к берегу реки. Тогда японское командование предприняло последнюю отчаянную попытку заставить своих солдат сражаться до последнего патрона на линии окопов: единственный понтонный мост через Халхин-Гол был взорван саперами.
Однако это не остановило начавшееся повальное отступление — бросая личное оружие и боевую технику, японцы пытались переправиться на противоположный речной берег кто как может. Все это происходило под огнем противника. Многие бежавшие с Баян-Цагана нашли свою гибель в быстрых водах Халхин-Гола, особенно раненые, которые оказались не в силах справиться с речным течением.
В результате неординарных боевых решений Жукова японские войска у горы Баян-Цаган оказались наголову разгромленными, и к утру 5 июля их сопротивление оказалось сломленным. На горных склонах погибли более 10 тысяч неприятельских солдат и офицеров. Остатки японских войск в беспорядке и панике бежали на противоположный берег реки. Они потеряли почти все танки и большую часть артиллерии.
Трехдневные бои на берегах Халхин-Гола вели японские войска под командованием «специалиста по Красной Армии» генерал-лейтенанта Камацубары. В свое время он был военным атташе посольства Страны восходящего солнца в Москве. О его «отъезде» с поля боя под Баян-Цаганом описывает в своем армейском дневнике старший унтер-офицер его штаба Отани:
«Тихо и осторожно движется машина генерала Камацубары. Луна освещает равнину, светло как днем. Ночь тиха и напряжена так же, как и мы. Халха освещена луной, и вней отражаются огни осветительных бомб, бросаемых противником. Картина ужасная. Наконец мы отыскали мост и благополучно закончили обратную переправу. Говорят, что наши части окружены большим количеством танков противника и стоят перед лицом полного уничтожения. Надо быть начеку».
Как позже отмечал Жуков, после сражения за высоту Баян-Цаган японские войска «больше не рискнули переправляться на западный берег реки Халхин-Гол». Все последующие действия пограничного конфликта проходили на восточном речном берегу.
В Генеральном штабе РККА был сделан обстоятельный (на основе боевых донесений с мест событий) разбор боев с 5 по 9 июля. В телеграмме Ворошилова и Шапошникова командующему 1-й армейской группой, среди прочего, подчеркивалось:
«…Первое. Японцы в бою действуют организованнее и тактически грамотнее, чем мы. Будучи потрепанными, понеся значительные потери, они, прикрывшись сильными заслонами, окопавшимися на удобных позициях, главные силы оттянули к границе для отдыха и приведения в порядок…
Японцы из кожи лезут, чтобы показать свою силу. Мы должны быть умнее их и спокойнее, поменьше нервничайте, не торопитесь «одним ударом» уничтожить врага, и мы разобьем противника с меньшей затратой своей крови».
Пролог необъявленной войны на Халхин-Голе сложился в пользу союзных советско-монгольских войск. В ходе июльских боев им удалось удержать свои позиции в восточной части Монголии. Однако японские войска продолжали оставаться на территории этого государства и готовились к новым операциям. Таким образом очаг военной напряженности на Халхин-Голе продолжал сохраняться. Чтобы ликвидировать пограничный конфликт и восстановить государственную границу Монголии, требовались кардинальные меры.
Жуков со свойственной ему решительностью приступил к подготовке операции, целью которой был полный разгром всей неприятельской группировки, находившейся на монгольской территории. Проведение такой наступательной операции стало возможным только благодаря мерам, которые приняло советское руководство по усилению группировки своих войск в МНР.
Действовавший в районе Халхин-Гола 57-й особый корпус был развернут в 1-ю армейскую (фронтовую) группу, а Жуков назначается ее командующим. В соответствии с постановлением Главного военного совета РККА учреждается Военный совет армейской группы из ее командующего, дивизионного комиссара М.С. Никишева и начальника штаба комбрига М.А. Богданова.
В восточную часть Монголии прибывают новые советские войска, в том числе 82-я стрелковая дивизия. Сформированная в спешке на Урале, она оказалась совершенно не подготовленной к ведению боевых действий. Многие ее солдаты никогда не держали в руках оружия. Красноармейцев пришлось в короткий срок обучать стрелять из винтовок, окапываться, бросать гранаты, ходить в атаку, действовать штыком.
В донесении от 16 июля 1939 года начальнику Политуправления РККА о морально-политическом состоянии личного состава 82-й стрелковой дивизии говорилось следующее:
«(В) прибывшей 82 сд отмечены случаи крайней недисциплинированности и преступности. Нет касок, шанцевого инструмента, без гранат, винтовочные патроны выданы без обойм, револьверы выданы без кобуры. Разведбатальон прибыл без положенных бронемашин и мотоциклов, экипажи на эти машины — 44 человека привезут с собой (так в тексте). Полковая школа дивизии не выслана и оставлена (на) зимних квартирах. Личный состав исключительно засорен и никем не изучен, особенно засоренным оказался авангардный полк, где был майор Степанов, военком полка Мусин. Оба сейчас убиты. Этот полк (в) первый день боя поддался провокационным действиям и позорно бросил огневые позиции, перед этим предательски пытались перестрелять комполитсостав бывшие бойцы этого полка Ошурков и Воронков. 12.7 демонстративно арестовали командира пулеметной роты Потапова и на глазах бойцов расстреляли, командир батальона этого полка Герман лично спровоцировал свой батальон на отступление, все они преданы расстрелу. Для прекращения паники были брошены все работники политуправления РККА, находившиеся в это время на КП. После этого 14.7 батальон этого полка снова позорно бежал с фронта. Когда возвратили обратно трусов, был убит японцами работник политуправления РККА, слушатель академии Соколов.