Гранични сукоби СССР-а и Јапана нису били новост. Годину дана раније битка на језеру Хасан била је први већи тест совјетске одбране, који се завршио јапанским поразом. Ипак битка код Хасана није била већих размера. Овога пута Јапан је тестирао Совјете преко њиховог савезника (сателита) Монголије.
Погранични сукоби у Монголији почели су у мају нападом јапанских снага на карауле Монголске народне армије. Због јачања интезитета провокационих напада активирале су се и совјетске снаге, тако да је погранични конфликт полако прерастао у совјетско-јапански конфликт. Николај Фекленко, командант 57. пешадијског корпуса послао је ка граници неколико моторизованих пешадијских чета, које су одбациле Јапанце преко границе. Са једне и друге стране почело је увођење крупних војних састава. Интензитет сукоба је улазио у нову фазу. Обе стране су привлачиле свеже снаге.
У последњој недељи маја одиграла се прва ваздушна битка у којој су Јапанци испали победници оборивши 15 совјетских авиона уз губитак једног свог. Незадовољство руководством Фекленка и локални пораз совјетских пилота био је сигнал за Москву да је нужна промена на терену. Јаков Смушкејевич и још 47 инструктора од којих 17 хероја Совјетског Савеза стигли су 29. маја у Монголију ради реорганизације и додатне обуке совјетских пилота. Поред пилота послате су и последње модернизације авиона И-16. Почетком јуна на место команданта групе војске у Монголији Фекленка стигао је комдивизије Георги Жуков који је одмах почео да води активну одбрану и предлагао контранапад на положаје Јапанаца. Ради помоћи координације између Црвене армије и монголске армије стигао је и Григориј Штерн из Чите. Између Жукова и Штерна завладало је велико ривалство због неслагања у плановима извођења операција.
Након што је увидео стање на терену, Жуков је од Москве тражио додатне снаге ради одбране и планираног контранапада. С обзиром на удаљеност терена брзо су на театар борбених дејстава могле да стигну јединице из далекоисточних округа које су биле лошије обучене, али материјална средства које је Москва послала превазишла су средства Јапанаца, особено у оклопно-механизованим јединицама које ће се показати као кључ успеха битке. Јапанци су се такође спремали за напад.
Цео јун је прошао у мањим борбама дуж реке Халкин Гол, где се услед позиционих борби створио рововски тип рата, али на небу ваздушне борбе нису престајале. Реорганизовано Црвено ваздухоплоство почело је да показује своју снагу. У борбама између 22. и 28. јуна Јапан је изгубио 90 оборених авиона а совјетска страна 38. Први пут у ваздушној борби су употребљене невођене ракете на авионима И-16. С обзиром да је битка улазила у интезивнију фазу и да је почела да добија међународни значај први чланци о борбама у Монголији пролазе и у совјетску штампу.
Јапанци прелазе Халкин Гол — покољ на брду Баин Цаган
Ударна група генерал мајора Кобајасе 2. на 3. јул форсирала је реку и заузела стратешки важно брдо Баин Цаган, које је постало мостобран јапанске војске на источној обали реке. Одавде је по плану јапанске команде требало да буде развијено наступање и окружење совјетске војске у Монголији. Због ширине фронта и предности које би нападач имао на ударном правцу, совјетска команда је раније створила мобилне резерве које су у току битке имале кључну улогу. Георгиј Жуков је одмах наредио да се противнапад изврши 11. тенковском бригадом Јаковљева и 8. оклопним дивизионом монголске армије. Битка за брдо Баин Цаган постала је прави покољ. Црвена Армија јуришала је на добро утврђене положаје Јапанаца на брду. Са обе стране учествовало је више од 400 тенкова и оклопних возила, на небу је било више од 300 авиона. До вечери следећег дана 4. јула Јапанци су држали само врх Баин Цагана, а јапанска команда је наредила да се уништи понтонски мост како би ставила до знања војницима да нема повлачења. 11. тенковска бригада изгубила је 70% тенкова јуришајући на брдо, неколико дана касније и сам комбриг Јаковљев ће погинути.
Јапанци су изгубили преко 8.000 војника, све тенкове и скоро сву артиљерију. До 12. јула поништени су успеси Јапанаца приликом преласка реке. Совјетска команда почела је са планирањем преласка реке и окружења групе јапанске војске. Стаљин је тражио кратку и одлучну победу која ће омогућити потписивање мира чиме би избегао дужи конфликт са Јапаном.
Пре почетка решавајуће фазе битке Црвена Армија достигла је 57.000 људи, око 500 тенкова, 385 оклопних аутомобила, преко 500 авиона и преко 500 артиљериских оруђа и минобацача. Јапанци су са друге стране у одбрани располагали са 75.000 људи, преко 300 артиљериских цеви, 120 тенкова и оклопних возила, преко 450 авиона. Јапанци су имали предност у људству док су Совјети остварили вишеструку премоћ у техници. Совјетска команда организовала је непрекидну линију снабдевања са 4.000 камиона и 375 цистерни на дужини пута од 1.300 до 1.400 км тако створивши супериорну материјалну базу у односу на Јапанце.
Напад који је почео 20. августа рано ујутру за Јапанце је био потпуно неочекиван, са преко 250 авиона совјетска авијација извршила је снажан напад, након чега је почео прелазак реке. С обзиром да су располагали са значајним оклопно-механизованим снагама, Совјети су могли лакше да одреде гравитациону тачку напада, док Јапанци у главном са пешадијским јединицама нису могли да парирају овом нападу премештањем резерви. Већ првог дана, мостобран је формиран на више места, након чега је увођење снага ишло по плану. До 26. августа цела јапанска 6. армија допала је у окружење. Сви покушаји њене деблокаде пропали су и битка је завршена.
Стаљин је разиграо своју дипломатску игру потписивања пакта Рибентроп-Молотов у време завршне фазе битке на Халкин Голу, обезбедивши привремено западне границе. Потпуни прекид дејстава потписан је 15. септембра чиме је отклоњена опасност и са истока. Пораз Јапана на Халкин Голу имао је велике геополитичке последице. Потресен поразима на Хасану и Халкин Голу, Јапан се није усуђивао да ступи у рат против СССР, осим ако не би постојале сигурне гаранције да ће СССР бити поражен. На немачки захтев да Јапан ступи у рат против Совјета и тако им удари у леђа, један члан јапанског генералштаба одговорио је: „Основно војно образовање добили смо на Хасану, средње на Халкинг Голу, више војно образовање не желимо“.