В ночь на 20 августа 1939 года бригада приступила к форсированию реки, и танки с выключенными фарами медленно двинулись через реку, погружаясь в воду по основания башен. На рассвете появилась авиация противника и стала бомбить места переправ. Форсирование реки затянулось на весь день, но, несмотря на воздействие противника, танки благополучно преодолели преграду и на следующий день бригада вступила в бой.
Центральная группа в первый день наступления продвинулась незначительно. 82-я стрелковая дивизия, имея перед собой сильные узлы сопротивления японцев в районе сопки «Песчаная» и высоты «Зеленая», весь день вела упорный огневой бой и к исходу дня продвинулась только своими флангами на 500–1500 м. Ближайшую задачу — овладение сопкой «Песчаная» и высотой «Зеленая» — дивизия выполнить не смогла.
36-я мотострелковая дивизия наступала с 5-й стрелково-пулеметной бригадой, нанося главный удар левым флангом. 5-я стрелково-пулеметная бригада и 149-й стрелковый полк активными действиями сковали противника. В то же время 24-й мотострелковый полк, усиленный танковым батальоном 57-й стрелковой дивизии, успешно продвигаясь вперед, уничтожил передовые огневые точки врага и к исходу дня вышел к опорному пункту противника на высоту «Песчаник». Встретив здесь сильный огонь, полк далее продвинуться не смог и с наступлением темноты закрепился на достигнутом рубеже.
Северная группа стремительным ударом отбросила за линию границы два полка баргутской конницы и 20 августа овладела передовыми позициями противника, подойдя непосредственно к сильно укрепленному узлу сопротивления, расположенному в районе высоты Фуи («Палец»). Попытка овладеть с ходу этим узлом сопротивления не увенчалась успехом. Части Северной группы вынуждены были развернуть свои главные силы. Завязался ожесточенный бой.
Противник, оказывая яростное сопротивление, отбивал все атаки частей Северной группы.
Почувствовав угрозу на флангах, японское командование с наступлением темноты начало производить перегруппировку. По оценке командира 23-й японской пехотной дивизии генерал-лейтенанта Камацубара, главный удар советско-монгольских войск наносился по правому флангу позиции японцев. В действительности же наши войска наносили главный удар своей Южной группой по левому флангу. Чтобы остановить наступление Северной группы, японское командование приняло меры к усилению узла сопротивления в районе высоты Фуи. С этой целью оно перебросило в район этой высоты 26-й пехотный полк и расположило его на отсечных позициях фронтом на север. Одновременно Северный охранный отряд получил задачу прочно удерживать частью сил район западнее озера Яньху, а главными силами обеспечить тыл и правый фланг японских войск.
Считая положение своих войск, оборонявшихся в центре, наиболее прочным, японцы сняли отсюда один из полков (72-й) и вывели его в резерв на случай парирования ударов с флангов.
Развивая успех, достигнутый в первый день наступления, советско-монгольские части в последующие дни продолжали упорную борьбу внутри оборонительной полосы японцев. На участке Южной группы 6-я танковая и 8-я мотоброневая бригады, обойдя фланг противника и с большим трудом преодолевая естественные препятствия, к исходу 21 августа заняли весь район «Больших Песков». Таким образом, наши подвижные соединения уже на второй день наступления вышли на пути отхода южной группировки японцев на восток.
Действуя на правом фланге 1-й армейской группы в первом эшелоне совместно со стрелковым полком и монгольским конным дивизионом, 6-я танковая бригада в составе трех батальонов (4-й батальон действовал в составе 9-й мотобронебригады) прорвалась в глубину обороны противника и, маневрируя, начала штурмовать его опорные пункты с тыла. За период боев с 21 по 23 августа 6-я танковая бригада потеряла 15 танков сгоревшими и 20 подбитыми, уничтожив до двух пехотных батальонов противника. Аналогичную боевую задачу на левом фланге в составе Северной группы выполняли 2 танковых батальона 11-й танковой бригады.
В то же время стрелковые части Южной группы 22 августа глубоко вклинились в основную оборонительную полосу противника, разгромили его ближайшие тактические резервы и захватили ряд артиллерийских позиций. Стремительными ударами они расчленили оборону японцев на ряд терявших между собой связь узлов, блокировали их и последовательно уничтожали. Каждую огневую точку приходилось брать штурмом. При этом большую роль сыграли наша артиллерия и огнеметные танки. Орудия всех калибров, в том числе и 152-мм, выдвигались на открытые позиции и прямой наводкой с близких дистанций расстреливали огневые точки врага. Огнеметные танки выжигали живую силу из блиндажей и подземных укрытий, а пехота ручными гранатами и штыками довершала истребление японских солдат и офицеров. Особенно упорное сопротивление оказали два опорных пункта, располагавшиеся в 4–5 км к югу от реки Хайластын-Гол. Части 57-й стрелковой дивизии блокировали их и при содействии огнеметных танков уничтожили японские гарнизоны.
К исходу 23 августа вся оборонительная полоса японцев на участке наступления Южной группы была взломана. Остался не взятым только один опорный пункт в районе отметки 757. В то же время 8-я мотоброневая бригада, вышедшая к государственной границе юго-восточнее Номон-Хан-Бурд-Обо, заняла оборону фронтом на северо-восток и окончательно отрезала пути отхода южной группировке врага.
На участке Центральной группы продвижение частей 82-й и 36-й стрелковых дивизий было незначительным. Здесь противник по-прежнему оказывал упорное сопротивление на подступах к сопке «Песчаная» и высоте Ремизова.
Северная группа в течение 21–22 августа не смогла овладеть высотой Фуи. Вместо того чтобы частью сил блокировать эту высоту, а главными силами продолжать стремительное наступление в южном направлении, командующий Северной группой продолжал безрезультатные атаки.
Оказывая ожесточенное сопротивление, противник подтянул к высоте часть своих резервов и задержал продвижение Северной группы.
Несколько дней и ночей продолжались ожесточенные бои, которые приняли очаговый характер. Стойкость японского солдата имела свою подоплеку. Командиры внушали ему, что, попав в плен, он все равно будет расстрелян, но прежде его будут истязать до полусмерти. И такое «моральное» воздействие во многих случаях достигало своей цели. В ряде случаев японские военнослужащие на Халхин-Голе фанатично дрались до последнего человека. Нередко вражеские блиндажи и дзоты переходили в руки красноармейцев тогда, когда там уже не было ни одного живого японского солдата.
По приказу командующего 1-й армейской группой в помощь Северной группе еще 21 августа была выдвинута из резерва 9-я мотоброневая бригада. Бригаде была поставлена задача, не задерживаясь у высоты Фуи, наступать вдоль границы с севера в направлении Номон-Хан-Бурд-Обо с целью перехвата путей отхода северной группировки противника и уничтожения его складов в районе озера Узур-Нур. Выполняя поставленную задачу, 9-я мотоброневая бригада, усиленная одним танковым батальоном 6-й танковой бригады, обошла высоту Фуи с востока и, продвигаясь вдоль государственной границы, 22 августа произвела частью сил налет на базу японцев в районе озера Узур-Нур. Наши танкисты разгромили автоколонну противника, подожгли склады с горючим и боеприпасами и уничтожили батарею, прикрывавшую японскую базу. Уничтожение базы дезорганизовало снабжение японо-маньчжурских войск.
Между тем борьба в районе высоты Фуи продолжалась.
Блокированный со всех сторон, японский гарнизон продолжал отбивать все атаки. Противник имел здесь сильные оборонительные сооружения, опоясывавшие высоту со всех сторон. Глубоко врытые в землю блиндажи имели мощные перекрытия, связывались широко разветвленными ходами сообщения и прикрывались проволочными заграждениями.
Только к исходу 23 августа частям Северной группы, усиленной дополнительно 212-й авиадесантной бригадой, удалось сломить сопротивление врага. Японцев пришлось выбивать ручными гранатами и штыками буквально из каждой щели. В плен никто из них не сдавался; после боя из окопов и блиндажей было извлечено свыше 600 трупов японских солдат и офицеров.