1939年8月20日，诺门坎前线。
决战终于开始了。双方都知道对方的开战时间，也都知道对方的军力和分布。特别是日本，对苏联的所有情况尤其熟悉。为了应对苏联的攻势，也做了充分的准备。
苏军的进攻，标志着决战开始。
5点46分，苏蒙军首先对日军的高射炮阵地进行猛烈地炮击，接着以150架轰炸机和100架战斗机在地面上爆炸的火光为引导，向日军轰炸扫射。
日军毕竟军备实力有限，大量补充的是陆军。他们的策略就是用陆军的优势和苏军近战，进而取胜。由此，日军的高射炮部队已经没有几发炮弹了，基本上放弃了高炮。
飞机到了战场上空，东方破晓。苏军的空军出击的同时，日军的飞机也出动了。苏军的飞机数量大，长机僚机配合的新战术运用很好。日军飞机相反，数量不如苏军，配合不如苏军，纷纷被击落。很快，日军阵地的上空就就是苏军飞机的天下了。
苏军在夺取空中优势后，飞机开始向地面的炮兵阵地扫射。
后来，整个上午，一波飞机起飞，空战，然后是安静，然后是下一波空战。
8点15分，苏军各种口径的火炮和迫击炮向日军阵地轰击。
炮击的确造成了很大的杀伤。因为日军有准备，掩体挖的深，因此，伤亡比苏军预期的小。
8点30分，空军第二次向日军前沿阵地轰炸扫射。
8点45分，空中升起了红色信号弹，苏蒙军部队在炮火掩护下，渡过哈拉哈河，开始全线总攻。
在苏空军、炮兵的强烈压制下，只过一个半小时，日军炮火无力进行还击，观察所、通信联系及炮兵阵地均被摧毁。
两军开始短兵交接，日军斗志旺盛，在混乱中顽抗，战死不降。自杀袭击不断，苏军坦克纷纷被炸被烧。
很明显，日军的数量远远比侦察到的要大，大很多。
日军北线是谢尔陶拉盖高地。
这个高地是日军第23师团在7月1日占领后经过一个半月的经营，用钢骨水泥构筑了永久性据点式阵地，壕沟交错，居高临下。井置支队配备重装甲车12辆、机关炮6门，野炮4门、速射炮4门、骑步兵千人，还有后方重炮的支援。
早晨，井置联队的部队在被飞机轰炸扫射，被炮击。很快，苏军苏军50辆坦克，
10门野炮，加上蒙军600名骑兵从霍金冈嘎方向方攻来，苏军炮兵一个团也从西北方向来攻。加上后方重炮，每分钟大约落下200发炮弹，地动山摇。
日军死伤不断增加。
到了12时，苏军炮击停止，坦克从北方突入。
混战开始了，火焰瓶、反战车地雷、反坦克速射炮全上去了。战到日落，苏军才渐渐停止攻击。兴安北警备军的3个骑兵团被击溃。这些伪军是海拉尔本地的。
南线的诺罗高地一带，苏军炮击一整天没有间断。长谷部的各大队之间的联系被切断。木尾川大队受到空袭和十几辆坦克炮击，西岸的一个炮兵群也集中轰击木尾川大队。
不久，50辆坦克和装甲车迅猛地从南方迂回过来，直插到长谷部支队防守的整个诺罗高地地区的后方。苏军近
200坦克、装甲车和步兵一千余名，上了也里架起来的浮桥，冲到第71联队阵前。加上苏机在空中不断投弹扫射，第7
l联队陷于苦战，伤亡惨重。
苏军中央兵团进展缓慢，各师、旅只前进了500——1500米。
21日。
决战到了第二天。早6时，日军先后出动各种作战飞机113架，日军机群分成几个冲击波，对苏蒙军机场进行突袭。
第一次，6时，轻轰炸机队轰炸桑贝斯机场。
第二次，11时，轻轰炸机群和重轰炸机群轰炸塔木察格布拉格机场。
第三次，16时，轻轰炸机群轰扫射谢尔陶拉盖高地附近的苏蒙军坦克装甲集群和卡车队。
地面上的日军部队继续苦战。苏蒙军遇到了异常顽强的抵抗。
苏蒙军地面攻势的第二天，战斗更加激烈。
北线。朱可夫上将又从预备队中将第9装甲旅和第212伞兵旅用在北线。第9装甲旅大迂回包围。伞兵旅则空投到日军后方占领后勤基地，断绝前线日军的补给。
同时，重炮部队加强了对谢尔陶拉盖高地的轰击，到了下午，谢尔陶拉盖高地上的工事已经击毁。日军大量受伤，但是井置部队死不后退，步兵开始混战。
南线。步兵第71联队的4500人在森田彻大佐的指挥下与苏军坦克大战。支援步兵的野炮兵第被坦克阶段。
午前10时，苏军坦克8辆、步兵200突入打开一个突破口，随后，95辆坦克和牵引炮涌入突破口，向第71联队侧背轰击。
午后2时，有30辆坦克攻入日军71联队本部和粮秣集结所。坦克使用柴油驱动，不怕火焰瓶和普通地雷。日军步兵第71联队战况恶化，一个一个沙丘小高地被苏军步步占领。
中央阵地。步兵第72联队抽到诺门罕集结，阵地上只剩下步兵第64联队防守，后方的野战重炮群也遭到苏军50辆坦克和装甲车的攻击。
苏军的坦克和装甲车夹在日军炮兵和步兵中间的地域内，日军苏军双方犬牙交错。
第二天攻势的战果，苏蒙军队已完成对日军第23师团及其他部队的分割包围。
22日。战役的第三天。
日本空军9时30分，再次轰炸桑贝斯机场。接着，日军又对贝尔湖东侧苏军野战机