Проиграв первую фазу боев на Халхин-Голе, советское командование принимает решительные и кардинальные меры, чтобы переломить ситуацию в свою пользу. В район конфликта срочно перебрасываются советские истребители новых конструкций (И-153), а также летчики, имевшие опыт боев в Испании во главе с известным асом — комкором Я. В. Смушкевичем. В июне командующим советско-монгольской группировкой у Халхин-Гола (12,5 тыс. чел., 135 танков и 225 самолетов) был назначен комдив Г. К. Жуков.
Ободренная успехами, Япония решила расширить зону своего влияния в данном районе. В начале июля ее войска перешли в новое наступление с целью закрепиться уже на западном берегу Халхин-Гола. Им удалось захватить там плацдарм, но в сражении 4–5 июля они потерпели поражение и были отброшены обратно за реку. В этих боях японцам пришлось столкнуться уже с опытными советскими танкистами и летчиками. Так, в ликвидации плацдарма отличилась 11-я танковая бригада (комбриг М. П. Яковлев). В целом японские танки проигрывали советским машинам аналогичных типов. Немалую помощь наземным войскам оказала авиаэскадрилья комкора Смушкевича. После нескольких крупных боев (22–26 июня) она нанесла японской авиации жестокое поражение и с тех пор завоевала господство в воздухе.
По воспоминаниям Жукова, даже в годы Великой Отечественной войны он не видел такого количества одновременно участвовавших в воздушном бою самолетов. Так, в сражении 22 июня участвовало одновременно 215 самолетов (95 советских и 120 японских). За эти четыре дня боев, масштабы которых превзошли все прежде проводимые японцами, их авиация потеряла 64 самолета. Кстати, на Халхин-Голе советская авиация впервые применила боевые ракеты. Победа советских летчиков имела решающее значение. Она позволила осуществлять бесперебойное снабжение войск, которые находились в пустынной местности, за сотни километров от своих баз.
В августе японцы, не смирившись с поражением, подтянули к Халхин-Голу лучшие ударные силы своей материковой Квантунской армии. В этом районе была сосредоточена 6-я армия под командованием генерала Риппо (75 тыс. чел., 182 танка и 300 самолетов). Ее костяк составили наиболее опытные японские соединения, прошедшие школу войны в Китае. Наступление планировалось развернуть к началу предполагаемого развязывания Германией войны в Европе.
Советско-монгольские войска также получили подкрепление и были сведены в 1-ю армейскую группу под командованием комкора Жукова (57 тыс. чел., 498 танков и 515 самолетов). Он планировал упредить японское наступление и нанести фланговые удары по армии О. Риппо с целью ее окружения. Операция готовилась тщательно и скрытно. Накануне, с помощью воздушной и наземной разведки, была проведена большая работа по сбору данных о расположении японских войск. Условия подготовки операции отличались большой сложностью, особенно в области материально-технической поддержки. Ее участникам приходилось преодолевать огромные расстояния по грунтовым дорогам автомобильным транспортом в условиях изнуряющей жары и сильных ветров.
20 августа в воскресенье (многие старшие японские офицеры получили в тот день воскресные отпуска) советско-монгольские войска неожиданно для японцев перешли в наступление. Ему предшествовали трехчасовая артподготовка и бомбовые удары авиации. Этот огненный шквал оказался настолько силен и эффективен, что в первые полтора часа японцы не могли открыть ответный огонь. Выиграв после упорных боев борьбу за фланги, советские бронетанковые и механизированные части прорвали фронт и к 26 августа завершили окружение 6-й армии. Далее она была расчленена на отдельные группировки и к 31 августа, несмотря на их ожесточенное сопротивление, полностью ликвидирована, так и не успев получить подкрепления. 4 и 8 сентября подошедшая к монгольской границе японская пехотная дивизия пыталась нанести ответный удар, но была с потерями отброшена.
Почти одновременно с победой у Халхин-Гола был заключен советско-германский Пакт о ненападении (23 августа 1939 года), который не оставил Японии надежд на возможную помощь со стороны Германии. Вера Страны восходящего солнца в своего союзника по Антикоминтерновскому пакту была серьезно поколеблена. Втягиваться же в одиночку в более серьезный конфликт с СССР Япония после Халхин-Гола не решилась. 16 сентября по просьбе японской стороны боевые действия были прекращены. В боях с мая по сентябрь японцы потеряли 61 тыс. чел. (в том числе 25 тыс. убитыми). Потери советско-монгольских войск составили 18,5 тыс. человек. За победу на Халхин-Голе Жуков был удостоен звания Героя Советского Союза.