Операция, в отличие от предшествующих боев, готовилась весьма тщательно. Штаб армейской группы во главе с М. А. Богдановым разработал ряд важных документов, в том числе „План подготовительных мероприятий“. Он включал детальное изложение порядка сосредоточения войск, их переправы через Халхин-Гол, действий в исходном положении, последовательность проведения артиллерийской подготовки и атаки, мероприятия по противовоздушной обороне, маскировке операции и введению противника в заблуждение, порядок тылового, материально-технического и санитарного обеспечения войск, организации и поддержания устойчивого управления. По указанию штаба группы в частях и соединениях готовились таблицы сосредоточения войск и тыловых учреждений, плановые таблицы переправы, планы взаимодействия войск в бою, разведки, дезинформации и дезориентирования противника, боевые приказы и распоряжения, указания по связи и скрытому управлению войсками, памятки бойцам в обороне и наступлении. Кроме того, штаб ВВС 1-й армейской группы разработал „План боевых действий ВВС в подготовительный период“ и „Плановую таблицу боевых действий частей ВВС 1-й армгруппы на 20 августа 1939 г.“, а политический отдел 1-й армейской группы — „План по политическому обеспечению наступления“. В целях обеспечения устойчивого управления войсками связь командного пункта 1-й армейской группы с командирами соединений осуществлялась двойной системой проводов.
Особое внимание было уделено проведению широкомасштабной дезинформации противника. С вечера 12 августа началось строительство окопов и позиций на участках частей и соединений первого эшелона, а на участках 36-й мотострелковой и 82-й стрелковой дивизий возводились ложные мосты. Всем бойцам 13 августа были розданы памятки об обороне, а из района 36-й мотострелковой дивизии была дана ложная телеграмма, содержавшая сведения о подготовке оборонительных работ. Одновременно с 2 часов ночи до 2 часов 45 минут с 14 по 17 августа передавались ложные сводки о проделанной работе по инженерному оборудованию местности. До 15 августа запрещалось проводить какие-либо сосредоточения на флангах. Выдвижение войск осуществлялось только в ночное время под шум моторов. С целью приучить противника „к шуму моторов и гусеничному шуму“ южнее горы Хамар-Даба, в районе центральной переправы, осуществлялись демонстративные передвижения танков и тракторов до 16 августа включительно.
Начало операции было назначено на воскресенье, 20 августа. Командующий 6-й японской армией, введенный в заблуждение системой мер по дезинформации, не ожидал в ближайшие дни наступления советских и монгольских войск, а потому разрешил генералам и старшим офицерам воскресные отпуска.
Успех предстоящей операции во многом зависел от пополнения войск, их тылового и материально-технического обеспечения. Потери 1-й армейской группы (до этого — 57-го особого стрелкового корпуса) за период с 16 мая по 25 июля составили 5010 человек. За это время были почти израсходованы все боеприпасы, запасы продовольствия, горючего. Трудность состояла в том, что подвоз подкреплений и всего необходимого осуществлялся в условиях бездорожья и большой удаленности района боевых действий от железной дороги. Несмотря на это, в течение месяца на расстояние около 750 км на автомобилях было доставлено около 50 тыс. тонн различных грузов и до 18 тыс. человек{40}. Для усиления 1-й армейской группы были переброшены 6-я танковая бригада, части 57 и 65-й стрелковых дивизий, зенитный полк, авиадесантная бригада, другие соединения, части и подразделения различного назначения. К началу операции в районе боевых действий были созданы необходимые запасы: для наземных войск — до 6 боекомплектов и до 6 заправок горючего; для авиации — не менее 5 заправок для бомбардировщиков и 12–15 заправок — для истребителей. В Тамцак-Булаке для приема раненых развертывались дополнительные места на 1000 коек, а также еще один эвакуационный госпиталь.
20 августа в 5 часов 45 минут по позициям японских войск и их союзников был нанесен массированный бомбовый удар, в котором участвовало свыше 200 бомбардировщиков под прикрытием более 300 истребителей. Затем в течение 2 часов 45 минут более чем 200 орудий провели мощную артиллерийскую подготовку. За 15 минут до перехода в атаку пехоты и танков 45 бомбардировщиков нанесли повторный удар по противнику, а артиллерия сосредоточила огонь по его переднему краю обороны. В результате удалось подавить значительную часть артиллерийских и зенитных средств и уничтожить часть боеприпасов противника. В 9 часов советские войска совместно с монгольскими частями перешли в наступление, которое, как отмечалось в отчете штаба 1-й армейской группы, оказалось совершенно неожиданным для японского командования. С этим трудно согласиться, так как противник сумел быстро прийти в себя и оказал упорное сопротивление. Южная группа войск смогла к исходу дня овладеть большими песчаными буграми в 10 км юго-восточнее Номон-Хан-Бурд-Обо. Части 82-й стрелковой и 36-й мотострелковой дивизий продвинулись на отдельных участках только на 0,5–1 км. Северная группа войск на правом фланге захватила пески в 4 км восточнее горы Баин-Цаган, а левым флангом вышла к государственной границе. Продвижение в центре, где противник создал сильно укрепленную оборону, было незначительным. И только 23 августа Центральная группа войск сумела прорвать оборонительные позиции врага. Видимо, незначительное продвижение частей 1-й армейской группы создало у командира 23-й пехотной дивизии генерала Камацубары иллюзию того, что она ведет „назойливое наступление в направлении обоих флангов“. Не видя в этом большой опасности, генерал Камацубара потребовал 22 августа от своих подчиненных, „громя на передних позициях противника“, вести подготовку к последующему наступлению.