14 мая триста японо-маньчжурских всадников вновь вторглись на территорию МНР, заняли Дунгур-Обо и вышли к реке Халхин-Гол.
15 мая пограничники наблюдали в районе Дунгур-Обо до семисот вражеских всадников, семь бронемашин, один танк и автомашины с пехотой.
Японская авиация неоднократно нарушает границу, обстреливает и бомбит монгольские погранзаставы. Так, 15 мая пять японских бомбардировщиков совершили налет на расположение 7-й заставы (западнее Дунгур-Обо) и сбросили 52 бомбы. В результате было убито 2 и ранено 19 цириков.
Все эти события ясно указывали, что японцы развертывают серьезную операцию, но командование 57-го особого корпуса продолжало расценивать их как «мелкие пограничные пустяки». Хотя на Халхин-Голе уже пятый день шли бои с регулярными японо-маньчжурскими войсками, поддержанными авиацией, 15 мая командование особого корпуса выехало на лесоразработки за 130 км от Улан-Батора. И только приказ наркома обороны Ворошилова от 16-го числа заставил Фекленко наконец принять меры по приведению войск в боевую готовность.
К реке Халхин-Гол была направлена 6-я кавалерийская дивизия МНР, а также оперативная группа 11-й танковой бригады — в составе стрелково-пулеметного батальона, роты бронемашин и 76-мм батареи — под командованием старшего лейтенанта Быкова. 20 мая он выслал на восточный берег Халхин-Гола разведку, которая была встречена сильным ружейно-пулеметным огнем и после 4-часового боя отошла обратно. Однако на следующий день авангарду отряда Быкова совместно с монгольской кавалерией удалось вытеснить неприятеля на территорию Маньчжурии, выйти к границе и занять оборону.
Тем временем японский посол в Москве был вызван на Кузнецкий Мост в Народный комиссариат иностранных дел, где Молотов от имени советского правительства сделал ему официальное заявление: «Мы получили сведения о нарушении границы Монгольской Народной Республики японо-маньчжурскими войсками, которые напали на монгольские части в районе Номон-Кан-Бурд-Обо, а также в районе Донгур-Обо. В воинских частях МНР имеются раненые и убитые. В этом вторжении в МНР участвовали также японо-маньчжурские самолеты. Я должен предупредить, что всякому терпению есть предел, и прошу посла передать японскому правительству, чтобы больше этого не было. Так будет лучше в интересах самого же японского правительства». Японский посол немедленно передал в Токио текст этого заявления. Однако ответа не последовало.
С 25 мая японцы приступили к сосредоточению в районе Номонхан-Бурд-Обо больших сил из состава 23-й пехотной дивизии и маньчжурской конницы. На рассвете 28 мая японо-маньчжуры начали внезапное наступление и, оттеснив монгольский кавалерийский полк и левофланговую роту отряда Быкова, глубоко охватили наш левый фланг, угрожая переправе. Сам Быков, пытавшийся организовать контратаку, попал под плотный пулеметный огонь и едва избежал плена, бросив застрявший в грязи броневик. Монголо-советские части в беспорядке отошли на Песчаные бугры в 2–3 км от переправы, где и задержали противника.
В это время 149-й стрелковый полк майора Ремизова, подошедший на автомобилях из Тамцак-Булака, не дождавшись сосредоточения всех сил, с хода вступил в бой. Подразделения полка действовали несогласованно, без взаимодействия с артиллерией. Управление боем было организовано плохо, а с наступлением темноты и вовсе утеряно.
Перестрелка продолжалась всю ночь. На следующее утро бой возобновился и шел с переменным успехом. На правом фланге роты Быкова не смогли удержаться на занятых высотах и отошли, по ошибке обстрелянные собственной артиллерией. Зато на левом фланге наши огнеметные танки при поддержке пехоты разгромили японский разведывательный отряд подполковника Азума, который был убит.
К вечеру бой наконец затих. Складывается впечатление, что обе стороны сочли себя проигравшими — истощенные непрерывными двухдневными боями, понеся ощутимые потери, японцы поспешно отвели войска за линию границы, но и советские части отступили на западный берег Халхин-Гола (командир 57-го особого корпуса Фекленко сообщил в Москву, что отойти пришлось «под натиском противника», и объяснял поражение полным господством в воздухе вражеской авиации). Мало того — сам факт отступления японцев наша разведка обнаружила лишь 4 дня спустя.