Воскресное утро 20 августа выдалось очень жарким, небо было безоблачным. Разведка 6-й армии не выявила ничего необычного. Слышался рев танковых моторов, но за три недели к нему привыкли. В 05:45 153 бомбардировщика, прикрываемые 100 истребителями, обрушили свой смертоносный груз на всю глубину японских позиций, выбирая в качестве главных целей артиллерийские позиции и скопления бронетехники. К 06:15 артиллерия Воронова накрыла все выявленные цели на полосе шириной в 10 км. В 08:45, когда авиация и артиллерия перенесли свои удары на японские тылы, в небо взметнулись красные ракеты: Жуков подал сигнал к атаке.

Под звуки «Интернационала» из громкоговорителей, установленных на автомобилях, пришли в движение три группы. Южная, которой предстояло нанести решающий удар, командовал Потапов, славившийся невозмутимым спокойствием; в нее входили 6-я танковая бригада, усиленная огнеметными танками, 8-я механизированная бригада, 57-я стрелковая бригада и части монгольской конницы. Но ко времени начала атаки мобильная группа еще не сосредоточилась – из-за плохого знания местности – и две трети составлявших ее сил еще оставались на западном берегу Халхин-Гола. Правда, и оставшейся трети хватило, чтобы смести огнем Хинганскую кавалерийскую дивизию. Советские разведывательные группы в кратчайшие сроки дошли до деревни Номонган. Слева от нее 57-я стрелковая дивизия опрокинула противника и вышла в тыл японцам, образовав внутренний полукруг кольца окружения. Центральная группа (82-я стрелковая и 36-я механизированная дивизии, а также основные силы артиллерии) под командованием самого Жукова столкнулась с большими трудностями. Но это вполне устраивало Жукова, поскольку его план заключался в том, чтобы убедить противника: основной удар наносится именно в центре. В первый день он продвинулся всего на 1500 метров. Приходилось брать один за другим блокгаузы. Японцы постоянно контратаковали, не обращая большого внимания на свои фланги.

Северная группа под командованием Шевникова, в которую входили 7-я моторизованная бригада, два танковых батальона 11-й танковой бригады, монгольская 6-я кавалерийская дивизия и 601-й стрелковый полк (82-я дивизия), увязла перед укрепленной позицией на высоте 721 (японцы называют ее холм Фуи).

21 августа не стало решающим днем. Все японские силы уже были вовлечены в бой. Жуков понял, что противник прошел кульминационную точку своих усилий: самое время его опрокинуть. В своих беседах с Симоновым в 1965 году Жуков рассказал о вмешательстве Штерна в этот критический момент:

«Штерн приехал ко мне и стал говорить, что он рекомендует не зарываться, а остановиться, нарастить за два-три дня силы для последующих ударов и только после этого продолжать окружение японцев. Он объяснил свой совет тем, что операция замедлилась и мы несем, особенно на севере, крупные потери. Я сказал ему в ответ на это, что война есть война и на ней не может не быть потерь и что эти потери могут быть и крупными, особенно когда мы имеем дело с таким серьезным и ожесточенным врагом, как японцы. Но если мы сейчас из-за этих потерь и из-за сложностей, возникших в обстановке, отложим на два-три дня выполнение своего первоначального плана, то одно из двух: или мы не выполним этот план вообще, или выполним его с громадным промедлением и с громадными потерями, которые из-за нашей нерешительности в конечном итоге в десять раз превысят те потери, которые мы несем сейчас, действуя решительным образом… Приняв его рекомендации, мы удесятерим свои потери.

Затем я спросил его: приказывает ли он мне или советует? Если приказывает, пусть напишет письменный приказ. Но я предупреждаю его, что опротестую этот письменный приказ в Москве, потому что не согласен с ним. Он ответил, что не приказывает, а рекомендует и письменного приказа писать мне не будет. Я сказал: „Раз так, то я отвергаю ваше предложение. Войска доверены мне, и командую ими здесь я. А вам поручено поддерживать меня и обеспечивать мой тыл. И я прошу вас не выходить из рамок того, что вам поручено“. Был жесткий, нервный, не очень-то приятный разговор».

Вечером 21 августа, резко отшив Штерна, Жуков приказал своему центру сковать главные силы противника артиллерийским огнем, вместо того чтобы заставить их отступать. Он послал часть своих резервов (9-ю моторизованную бригаду и танковый батальон) на помощь северной группе с категорическим приказом образовать особую мобильную группу, которая, уклоняясь от фронтального боя, обойдет холм Фуи с севера и двинется навстречу южной группе. На юге 6-я танковая бригада, наконец собравшись целиком, прорвала японские порядки на всю их глубину и зашла в тыл противника в 30 км восточнее. Вечером 22 августа северная группа, пройдя через тактическую оборону японцев, вышла на простор и начала движение на юг, при поддержке брошенного Жуковым в бой последнего резерва – 212-й воздушно-десантной бригады. Через двадцать четыре часа кольцо окружения окончательно сомкнулось. Два японских полка, шедшие на помощь окруженным, попытались атаковать с востока, чтобы прорвать кольцо снаружи. Они были раздавлены артиллерией Воронова – великана с бледно-голубыми глазами, который в те дни начинал свой путь к славе величайшего артиллериста Второй мировой войны. С 24 по 31 августа японские подразделения, окруженные, обстреливаемые тяжелой артиллерией, уничтожались одно за другим, тогда как советские танковые бригады отражали попытки прорыва противником кольца извне. Бои были ожесточенными. Японцы предпочитали умирать, но не сдаваться. В 28-м пехотном полку старший лейтенант Садаяки, с саблей наголо, повел остатки своей роты в полный рост в атаку на красные танки. Ни один из японцев не выжил. В этом был парадокс японской армии: исключительные боевые качества на службе у анахроничной концепции пешего боя.

Разгром 6-й японской армии был полным. 23-я дивизия генерала Комацубары и большая часть 7-й дивизии были уничтожены, их техника и вооружение также уничтожены либо взяты победителями в качестве трофея. В плен попало 3000 человек, почти все раненые. Безвозвратные потери японской стороны за все время вооруженного конфликта составили 17 700 человек, в том числе 8629 человек убитыми. Советская сторона потеряла 8 000 человек убитыми, пропавшими без вести и пленными, более 15 000 человек ранеными; среди погибших – половина офицеров мобильных соединений. Жуков объезжал поле своего первого современного сражения верхом на лошади: сотни остовов танков и различных машин, обломки самолетов, выжженные участки степи с пятнами масла и горючего, тысячи обугленных или вздувшихся от жары трупов, брошенные снаряжение и боеприпасы, кучки напуганных пленных…

15 сентября 1939 года посол Японии Того Шигенори подписал в Москве с наркомом иностранных дел Молотовым соглашение о прекращении огня. Униженная Квантунская армия лишилась своего командующего, уволенного в отставку, и автономии по отношению к Токио; многие офицеры предпочли совершить самоубийство возвращению на родину после поражения. Генеральный штаб до самых основ перетряхнула следственная комиссия, искавшая ответ на два убийственных вопроса: как 6-я армия могла проиграть сражение, вопреки тщательному выбору места операции, которое должно было создать Красной армии трудности со снабжением? И чего стоят сотни присланных с 1937 года донесений, описывавших РККА как совершенно неспособную, не пригодную для ведения современной войны? Правительство Хиранумы подало в отставку из-за невозможности объяснить все это императору и из-за «предательства» Гитлера, превратившего Антикоминтерновский пакт в фарс. Под двойным шоком от поражения на Халхин-Голе и пакта Молотова-Риббентропа, подписанного 23 августа, японская дипломатия совершила резкий поворот, приведший ее к подписанию 13 апреля 1941 года договора о ненападении со Сталиным.

Однако не стоит преувеличивать стратегическое значение победы Жукова. И не одна подпись под договором удержала Токио от нападения на СССР в 1941 году. Гораздо большую роль в его расчетах сыграли разгром в 1940 году Франции, Нидерландов, ослабление Великобритании. Употребляя экономический термин, Японии показалось более рентабельным прибрать к рукам Голландскую Ост-Индию, Французский Индокитай и Британскую Малайзию, которые не могли получить защиты от своих европейских метрополий, чем атаковать Красную армию, надежно укрепившуюся в Сибири и в Монголии. Приняв такое решение, Токио намеренно вступил в конфронтацию с США, владевшими Филиппинами – ключевым местом региона. Тем не менее сторонники «северного» направления – представители сухопутной армии, приверженцы континентальной экспансии, настроенные германофильски и антисоветски,  – сохраняли влияние при императоре вплоть до контрнаступления Жукова под Москвой в декабре 1941 года.