Самые тяжелые бои в первый же день наступательной операции развернулись на центральном участке. Здесь основу обороны японцев составляли две хорошо укрепленные в инженерном отношении высоты — Песчаная и Зеленая. Окопы здесь были полного профиля с многочисленными пулеметными ячейками и батарейными позициями. Атакующим к исходу 20-го числа удалось в полосе вражеской обороны продвинуться вперед только на 500—1000 метров. Чтобы подавить очаги сопротивления, советские артиллерийские батареи прицельным огнем обстреливали их и разрывами снарядов помогали авиации наносить более точные бомбовые удары.
Оправившись от первого удара, японские войска 21-го и 22-го числа повели упорные оборонительные бои. Особенно стойко они держались в районе Больших Песков, и командующему Жукову пришлось ввести в сражение резервную 9-ю мотоброневую бригаду и добавить на этот участок фронта артиллерии. Ожесточенные схватки прошли у высоты Фуи («Палец»). Здесь наступающим пришлось даже окопаться у ее подножия.
В первый же день наступления командование 6-й японской армии оказалось в заблуждении, так и не сумев определить главное направление удара советских войск. На поле боя был найден приказ командира 23-й пехотной дивизии генерал-лейтенанта Камацубары, датированный 20 августа. Он гласил: «Противник наступает равномерно по всему фронту, а главный удар наносит на северном участке, на высоту Фуи». На самом же деле главный охватывающий удар с начала операции наносила Южная группа советских войск.
Жуковский план операции удавался на славу. Противник, скованный атакующими усилиями Центральной группы советско-монгольских войск, не смог оказать поддержки своим частям, находившимся на флангах. Бронетанковые и механизированные войска наступающих Южной и Северной групп к исходу 26 августа соединились и завершили полное окружение японской 6-й армии. После этого отсекающими ударами началось ее дробление и уничтожение по частям.
Бои шли в пустынной местности с большим обилием песчаных барханов, сыпучих песков, глубоких котлованов. Наступавшие испытывали затруднения со снабжением питьевой водой.
Продолжались налеты советской авиации на японские позиции. Только за 24 и 25 августа бомбардировщики СБ совершили 218 боевых групповых вылетов и сбросили на противника около 96 тонн бомб. Истребителями за эти два дня в воздушных боях было сбито около 70 японских самолетов.
О том, как шло сражение на реке Халхин-Гол,, рассказывается в дневнике погибшего японского солдата Факуты:
«20 августа 1939 года.
С утра установилась хорошая погода. Истребители и бомбардировщики противника, штук 50, группами появились в воздухе. В 6.30 артиллерия противника всей своей мощью начала обстрел. Артиллерийские снаряды стонут над головой.
Тучи артиллерийских снарядов падают поблизости от нас. Становится жутко. Команда наблюдения использует все, чтобы разведать артиллерию противника, но успеха не имеет, так как бомбардировщики бомбят, а истребители обстреливают наши войска. Противник торжествует по всему фронту.
7 ч. 45 м.
Становится жутко. Стоны и взрывы напоминают ад. Сложилась очень тяжелая обстановка. Положение плохое, мы окружены. Если ночь будет темной, все должны быть в ходах сообщения, располагаясь в ряд… Душа солдата стала печальной… Наше положение неважное, сложное, запутанное.
8 ч. 30 м.
Артиллерия противника не прекращает обстрела наших частей. Куда бы ни сунулся, нигде нет спасения, везде падают снаряды, наше спасение только в Бдисатве.
11 ч. 40 м.
Идет беспощадный бой, сколько убитых и раненых — мы не знаем… Обстрел не прекращается.
21 августа
Множество самолетов советско-монгольской авиации бомбят наши позиции, артиллерия также все время беспокоит нас. После бомбежки и артогня бросается в атаку пехота противника. Число убитых все более и более увеличивается. Ночью авиация противника бомбила наши тылы.
22августа — 9 ч. 30 м.
Пехота противника начала атаку, пулеметы противника открыли сильный огонь. Мы были в большой опасности и страшно напугались. Настроение заметно ухудшилось. Когда всех офицеров убили, меня назначили командиром роты. Это меня страшно взволновало, и я всю ночь не спал…»
На этом обрываются дневниковые записи японского военнослужащего Факуты.
Несколько дней и ночей продолжались ожесточенные бои, которые приняли очаговый характер. Стойкость японского солдата имела свою подоплеку. Командиры внушали ему, что, попав в плен, он все равно будет расстрелян, но прежде его будут истязать до полусмерти. И такое «моральное» воздействие во многих случаях достигало своей цели. В ряде случаев японские военнослужащие на Халхин-Голе фанатично дрались до последнего человека. Нередко вражеские блиндажи и дзоты переходили в руки красноармейцев тогда, когда там уже не было ни одного живого японского солдата.
Маршал Г.К. Жуков вспоминал о боях на реке Халхин-Гол: «Японцы сражались ожесточенно. Я противник того, чтобы отзываться о враге, унижая его. Это не презрение к врагу, это недооценка его. А в итоге не только недооценка врага, но и недооценка самих себя. Японцы дрались исключительно упорно, в основном — пехота…»
Бои велись на полное уничтожение продолжавшего упорно обороняться противника. Из окружения на реке Халхин-Гол почти никому из японцев не удалось вырваться. Неприятельское командование не раз предпринимало безуспешные попытки проведения отчаянных пехотных атак и контратакующих ударов. Но все они были безуспешны, поскольку решительно пресекались огнем наступавших из всех видов оружия.
Жукову 23 августа пришлось ввести в бой на Центральном участке свой последний резерв: 212-ю авиадесантную бригаду и две роты пограничников. Это был с его стороны немалый риск, поскольку ближайший резерв — монгольская бронетанковая бригада — находился в Тамцак-Булаке, в 120 километрах от фронта и по тревоге мог прибыть только через несколько часов. Была взята высота Фуи («Палец»), оборона которой обошлась японцам почти в 700 человек убитыми.
Бой 24 августа проходил в условиях сильной жары. Температура на градуснике днем достигла отметки «40». Палящее солнце и беспощадный зной сдерживали натиск и без того утомленных батальонов. В штаб Жукова стали поступать доклады о необходимости передышки в ходе наступательной операции. Однако Жуков был категоричен: продолжать наступать. Он опасался, что к месту прерванного сражения могут подойти свежие войска японской Квантунской армии.
Действительно, утром 24 августа полки 14-й пехотной бригады Квантунской армии, спешившие из Хайлара, подошли к монгольской границе и натолкнулись там на позиции советского 80-го стрелкового полка, прикрывавшего границу. Стрелки в тот день смогли отразить все вражеские атаки. На следующий день на помощь к ним подошли два танковых батальона. Японская пехота не выдержала танковой атаки и поспешила укрыться на территории Маньчжоу-Го.
Бои на Халхин-Голе в рядах победителей были отмечены многими примерами героизма и самопожертвования. Летчики В.Ф. Скобарихин, А.Ф. Мошин, В.П. Кустов совершили воздушные тараны. Пилот М. Юкин, приказав экипажу покинуть борт самолета с парашютами, направил свой горящий бомбардировщик в скопление японских солдат и их боевой техники. Тем самым он совершил первый в истории авиации огневой таран. Танкисты батальона В.А. Копцова впервые форсировали водную преграду — реку Халхин-Гол в подводном положении…
К утру 31 августа территория Монгольской Народной Республики была полностью очищена от японских войск. Хорошо обученная и вооруженная, обладавшая трехлетним опытом войны в Китае, 6-я отдельная японская армия за считаные дни в буквальном смысле перестала существовать как таковая. В мировой истории войн это был редкий случай.