По плану командира корпуса одновременно с северо-запада удар по противнику должен был наносить 24-й мотострелковый полк и с юга - 7-я мотоброневая бригада. Но мотострелки несколько сбились с заданного направления и вступили в бой только около полудня. Еще через три часа с юга вступили в бой тяжелые пушечные бронеавтомобили 7-й мотоброневой бригады.
Совместной атакой с трех сторон японцы были отброшены к горе Баин-Цаган и прижаты к реке. Здесь они оказали отчаянное сопротивление. По наступающим советско-монгольским танкам и бронемашинам из заранее подготовленных окопов вели огонь многочисленные противотанковые орудия. Солдаты-смертники пытались подсунуть под гусеницы мины на бамбуковых шестах. Танкисты роты старшего лейтенанта В.Р.Филатова сумели прорваться к огневым позициям вражеской артиллерии и раздавили несколько орудий. Бой длился весь день 3 июля. К заходу солнца напряжение несколько стихло. Это был лишь короткий перерыв...
В 20 часов 30 минут с новой силой загрохотала советская артиллерия. Через полчаса наши танки и пехота вновь рванулись вперед. Тяжелый, кровопролитный ночной бой продолжался до рассвета.
Утром 4 июля японцы, после трехчасовой артиллерийской подготовки, попытались перейти в контратаку. Одновременно в воздухе появились крупные силы авиации противника, чтобы нанести удар по советско-монгольским войскам. Навстречу им рванулись краснозвездные истребители. В небе завязались напряженные воздушные бои. Потеряв около двадцати самолетов, противник обратился в бегство. Встреченные огнем советских танков, бронемашин и артиллерии, японские атаки захлебнулись.
В 17 часов советские войска после короткой артиллерийской подготовки начали решительное наступление. Бои продолжались всю ночь. Японские офицеры с криками "банзай" неоднократно поднимали своих солдат в контратаки. Противник изо всех сил пытался удержаться на вершине горы Баин-Цаган. Только утром 5 июля сопротивление японцев на восточном берегу Халхин-Гола было сломлено. Не выдержав стремительного натиска советско-монгольских войск, оставив на поле боя тысячи трупов и огромное количество вооружения и боевой техники, остатки японских частей в беспорядке пытались переправиться на восточный берег Халхин-Гола. Чтобы заставить свои войска сражаться до последнего патрона, японское командование приказало саперам взорвать единственный наплавной мост через реку. Когда вверх взметнулись обломки понтонов и настила, растерянность, казалось, достигла своего апогея. Вражеские офицеры и солдаты в панике кидались в холодные, быстрые воды и тонули. Разгром врага довершили наши танкисты.
В Баин-Цаганском сражении советские воины показали исключительное мужество и героизм. Отбивая 2 июля фронтальную атаку, бронерота 9-й мотобронебригады в составе двенадцати пушечных бронеавтомобилей вступила в бой с шестьюдесятью вражескими танками и подбила двадцать шесть из них.
Героически вел себя в этот день красноармеец И.С.Ломакин. Когда на наши позиции двинулись вражеские танки, он вступил в единоборство со стальными машинами. Смелый воин пополз вперед и, спрятавшись в траве, стал поджидать танк. Когда тот приблизился, Ломакин бросил гранату под гусеницу. Остановившуюся машину расстреляла артиллерия.
...Противотанковое орудие подбило японский танк. Но экипаж не думал сдаваться и начал стрелять из пушки. Тогда лейтенант С.Кузьмин и старшина Л.Губин закидали танк гранатами и вытащили оглушенных танкистов. Затем Губин влез в японскую машину и стал стрелять из пушки по противнику.
На южных подступах к Баин-Цагану командир взвода 7-й мотоброневой бригады А.И.Мартынов уничтожил два противотанковых орудия противника. Однако и его бронемашина была подбита и остановилась. Тогда Мартынов с места разбил еще три японских орудия. Вражеский снаряд заклинил башню, Мартынов залег около машины и, стреляя из пулемета, вывел из строя еще несколько огневых точек.
Неподалеку так же смело действовал политрук Д.П.Викторов. Он уничтожил до десяти вражеских орудий. Когда бронеавтомобиль загорелся от японского снаряда, раненый политрук вытащил пулемет и расстрелял до взвода противника. Озверевший враг жестоко расправился с истекающим кровью героем. Японцы вырвали у него язык, вырезали сердце, выкололи глаза...
Личную храбрость и воинскую находчивость проявил командир взвода 11-й танковой бригады лейтенант Кудряшев. Когда его танк был подбит, Кудряшев приказал механику-водителю и башенному стрелку выйти из машины и с пулеметом оборонять подступы. Сам же остался в танке и огнем из пушки уничтожил несколько противотанковых орудий и транспортных автомашин, вызвав панику в стане противника. Трое суток оборонялся в окружении отважный экипаж, пока не был выручен подошедшими советскими войсками.
В докладе политотдела 1-й армейской группы названы "комсомольские экипажи танков Аношина и Квачева, которые 4 июля 1939 года попали в тыл противника, где находились около трех суток. Двое суток вели бой пять отважных комсомольцев - Чешев, Квачев, Аношин, Филиппов и Архипов. Когда огнеприпасы были исчерпаны, отважная пятерка взорвала танк... Храбрецы стали пробираться через расположение противника к своим... Они трижды пытались перейти реку, и только на третьи сутки, при четвертой попытке с боем им удалось достигнуть расположения наших частей".
Утром 5 июля четыре танка 11-й танковой бригады под командованием старшего лейтенанта А.В.Васильева встретились в барханах на правом берегу Халхин-Гола с одиннадцатью вражескими танками. В результате короткого боя четыре вражеских машины были подбиты, а остальные были вынуждены отступить.
Поддерживая пехоту, 9 июля рота старшего лейтенанта А.П.Босова из 9-й мотоброневой бригады отбила атаку вражеского танкового батальона и за несколько дней боев уничтожила около десяти японских танков, две бронемашины и шесть орудий противника.
Баин-цаганский разгром сильно подорвал военный престиж Японии в глазах основных империалистических государств. Известие о нем вызвало активизацию боевых действий на фронтах национально-освободительной войны в Китае. Небывалое поражение не могло не сказаться и на настроениях в японской армии. Когда весть о последствиях Баин-Цагана дошла до правительственных кругов Токио, один из высокопоставленных чиновников, приближенный императора Кито, записал в своем дневнике: "Армия в смятении, и все погибло".
Японские империалисты, убедившись в слабости своих вооруженных сил, стали искать пути нормализации отношений с США и Англией. Одновременно был взят решительный курс на заключение антисоветского военного союза с фашистскими Германией и Италией.
Токийская газета "Хоти" 28 июля откровенно писала: "События в Китае и на советско-маньчжурской границе повелительно диктуют необходимость подписания договора с Германией и Италией, ибо без него Япония не в состоянии одержать победу".
Еще в 1936 году Япония и Германия подписали так называемый "Антикоминтерновский пакт", оформлявший союз двух агрессивных держав в борьбе за мировое господство. Несколько позже к пакту присоединилась фашистская Италия. Однако "Антикоминтерновский пакт" не имел конкретных статей о военном сотрудничестве.
Поэтому начиная с 1938 года японский военный атташе в Берлине генерал Осима начал переговоры о заключении союза о взаимопомощи в войне против СССР. Однако сразу же выявились серьезные противоречия. Германия хотела иметь военный пакт, направленный против Советского Союза, Англии и Франции. Японские правящие круги такой вариант не устраивал. Они хотели тройственного военного союза Японии, Германии и Италии, направленного только против СССР. Поэтому переговоры были безрезультатными.
Подписание 22 мая 1939 года военно-политического договора о взаимной помощи между гитлеровской Германией и Италией встревожило агрессивные японские военные круги. Обеспокоенные первыми неудачами на Халхин-Голе, они стали требовать принятия германских условий и заключения тройственного союза. Но теперь уже Германия не торопилась заключать договор с Японией. В Берлине опасались, что заключение такого союза может способствовать успеху начавшихся в апреле 1939 года переговоров между представителями СССР, Англии и Франции о взаимопомощи против агрессии, может сплотить эти страны перед лицом угрозы с Запада и Востока.