Ямагата обнаружил, что части противника навели понтонный мост через реку Халха и заняли позиции менее чем в миле от Номонхана. Ямагата решил поймать противника в ловушку к востоку от реки, и приказал группе Адзумы продвинуться к югу вдоль восточного берега реки, где был мост, и отрезать советско-монгольским войскам путь к отступлению. Пехота Ямагаты при поддержке артиллерии должна была атаковать с фронта и погнать противника к реке, прямо на ожидавший его отряд Адзумы. Противник попадет в ловушку между двумя японскими отрядами и будет уничтожен.
Из-за ошибок разведки Ямагата полагал, что плацдарм у моста удерживают только монгольские пограничники и кавалерия. В действительности монголов поддерживала советская пехота, саперы, бронеавтомобили и артиллерия, в том числе батарея самоходных 76-мм пушек. Всего советско-монгольские силы насчитывали около 1000 человек.
Утром 28 мая главные силы Ямагаты атаковали советско-монгольские позиции у Номонхана. Сначала атака имела некоторый успех, и противника удалось оттеснить к мосту. Но наступление Ямагаты было остановлено, когда в бой вступила советская артиллерия и бронетехника. Вскоре японцы были вынуждены окапываться, чтобы хоть как-то защититься от огня советской артиллерии. Тем временем группа Адзумы, продвинувшись к мосту, обнаружила, что мост защищает советская пехота, бронеавтомобили и артиллерия. Советские бронеавтомобили были вооружены скорострельными 45-мм пушками, такими же как у советских танков. У Адзумы не было артиллерии и противотанкового оружия, и выбить с позиций советские войска он не имел никакой возможности. Когда наступление Ямагаты было остановлено, группа Адзумы оказалась в ловушке между двумя превосходящими ее отрядами противника.
Позже днем советский 149-й пехотный полк был переброшен на грузовиках в район боя и атаковал группу Адзумы. Ямагата, связанный боем в нескольких милях к востоку, ничем не мог помочь Адзуме. Исход был неизбежен: группа Адзумы была полностью разгромлена. Только четыре человека из нее смогли спастись ночью, остальные, включая самого подполковника Адзуму, были убиты или попали в плен. Согласно официальной истории Квантунской Армии, "чувство вины терзало сердце генерала Комацубары".
Командование Квантунской Армии, находившееся под влиянием наиболее агрессивных офицеров штаба (таких как майор Цудзи) приняло решение отомстить за этот разгром крупномасштабным наземным и воздушным наступлением через реку Халха, на территорию, являвшуюся неоспоримо монгольской. Основой ударной группировки стала 23-я дивизия Комацубары, усиленная одним полком из элитной 7-й дивизии. Также в наступлении было задействовано несколько сотен боевых самолетов и отдельная танковая бригада (единственная в Квантунской Армии). Но подготовка японцев к наступлению была обнаружена противником, и советское командование направило в этот район сильные подкрепления, из которых была сформирована 1-я армейская группа под командованием тогда еще малоизвестного Георгия Жукова. Японское наступление в начале июля 1939 года было отражено Жуковым, обе стороны понесли большие потери.
Квантунская Армия продолжала эскалацию конфликта, но каждый раз японцев останавливали все более усиливавшиеся советские войска. Иосиф Сталин решил направить Жукову еще больше подкреплений, и в августе 1939 советские войска провели решительное контрнаступление, разгромив японскую группировку. Боевые действия продолжались до середины сентября.
Этот конфликт не был обычной пограничной стычкой. Почти 100 000 человек с обеих сторон и сотни танков и самолетов участвовали в ожесточенных сражениях в течение четырех месяцев. От 30 000 до 50 000 были убиты или ранены. Эта малая необъявленная война известна в Японии как Номонханский инцидент, а в Советском Союзе и Монголии - как сражение на Халхин-Голе. Цудзи и Жуков играли важную роль во Второй Мировой Войне и после нее - Цудзи получил печальную известность в войне на Тихом Океане, а в послевоенной Японии был членом парламента. Жуков прославился как архитектор победы над нацистской Германией, а после войны был министром обороны СССР.