Червона армія на річці Халхин-Гол здобула свою першу перемогу в боротьбі з Японією, узявши реванш за провальну Хасанську операцію, проведену на рік раніше, хоча й зазнала більше втрат, ніж переможені. Чесно кажучи, це взагалі була перша перемога Росії в протистоянні з Японією, оскільки під час російсько-японської війни 1904—1905 років російська імператорська армія так і не здобула жодної перемоги. Як і у випадку з боями біля озера Хасан, бої поблизу Халхин-Голу спровокувала радянська сторона, аби створити відповідне зовнішньополітичне тло для майбутньої операції з Гітлером і захопити плацдарм на східному березі Халхин-Голу. Але, на відміну від хасанських боїв, тепер СРСР мав важливі географічні переваги. Район конфлікту, що розпочався 11 травня, був на значному віддаленні від дислокації основних сил японської Квантунської армії. Москва ж заздалегідь зосередила в Монголії, поблизу Халхин-Голу, значне угруповання військ і особливо техніку.
Спочатку на суші конфлікт тривав в уповільненому режимі, проте в повітрі розгорталися запеклі бої. Від панування в повітрі залежав успіх у битві загалом, оскільки з повітря можна було паралізувати постачання ворога. По-перше, у повітряних боях 27—28 травня було збито 17 радянських літаків і лише 1 японський. Японські пілоти були дуже добре підготовлені, але порівняно нечисленні. Підготовленого резерву пілотів у Японії не було. Москва ж вжила термінових заходів щодо виправлення ситуації в повітрі. Вже 29 травня в район Халхин-Голу вилетіла група з 48 льотчиків-асів на чолі з заступником начальника ВПС РСЧА Яковом Смушкевичем. Майже всі вони мали досвід боїв в Іспанії та Китаї. Проте перелому в боротьбі в повітрі довелося чекати до початку серпня. Так, 22 червня в повітряних боях японці збили 17 радянських, втративши 7 своїх літаків. Рано вранці 27 червня японські літаки завдали раптового удару по радянських авіабазах Тамсак-Булак і Баїн-Бурду-Нур і тиловому аеродрому Баїн-Тумен, знищивши 20 літаків (майже всі — в повітряних боях) і втративши лише 4 своїх. Проте за цей удар командування Квантунської армії дістало догану від головного командування, оскільки Токіо не хотів ескалації «Номонганського інциденту» (офіційне найменування боїв поблизу Халхин-Голу в Японії).
У результаті японській авіації було заборонено бомбити радянські авіабази. В липні з радянського боку з’явилися сучасніші винищувачі І-153 «Чайка», які могли на рівних битися з японськими Кі-27. З’явилася також ескадрилья з семи винищувачів І-16П, озброєних, крім двох синхронних кулеметів, двома криловими 20-міліметровими гарматами ШВАК. Їх вирішили використовувати передусім як штурмовиків. 8 липня в бій вперше вступили радянські чотиримоторні бомбардувальники ТБ-3. Також застосовувалися середні бомбардувальники СБ. І 29 липня стався перелом у боротьбі в повітрі. Цього дня радянські винищувачі збили 6 японських і серйозно пошкодили 5, не втративши жодного свого. У Квантунській армії закінчувалися як досвідчені пілоти, так і сучасні літаки. В угруповання ж радянської авіації на Халхин-Голі зібрали найкращих льотчиків і літаки з усієї країни.
Великою була і кількісна перевага радянської авіації. Перед вирішальним радянським наступом, який розпочався 20 серпня, проти 580 радянських літаків японці змогли виставити лише близько 190 машин. 20 серпня радянська авіація, не зазнавши втрат, провела низку успішних нальотів на японські позиції, знищивши на аеродромах 6 і пошкодивши 9 японських літаків. 21 серпня відбулася найбільша повітряна битва. Японці змогли знищити 12 літаків, втративши 6, але не змогли запобігти бомбардуванню своїх військ. Упродовж наступних днів радянські втрати в повітрі різко зменшилися — в японців майже не залишилося досвідчених пілотів, а вцілілі аси були украй стомлені. З 20 по 31 серпня, коли оточене японське угруповання було знищене, японці втратили 43 літаки.
На землі Червона армія теж мала велику перевагу. 1-я армійська група під командуванням комкора Георгія Жукова налічувала 69 тис. радянських і близько 5 тис. монгольських солдатів та офіцерів. Їм протистояло японсько-маньчжурське угруповання із 28 тис. військовослужбовців. Щоправда, японці вважали, що радянська дивізія за боєздатністю дорівнює лише 80% японської, але радянська перевага все одно була дуже великою. Жуков мав 550 танків і 450 бронемашин, а також 4000 вантажівок, що забезпечувало мобільність його військ і їхнє оперативне постачання. В японців, якими командував командир 23-ї піхотної дивізії генерал-лейтенант Мітітаро Комацубара, було лише 73 танки і 64 танкетки і лище 1000 вантажівок. Основні сили японської армії вели війну з Китаєм, і більше військ поблизу Халхин-Голу японське командування не могло зосередити за всього бажання. Значна частина японського угруповання поблизу Халхин-Голу опинилася в оточенні. Йому вдалося б запобігти, якби японські війська дістали вчасно наказ відступати. Але командування Квантунської армії наказало їм стояти до кінця. 31 серпня японське угруповання поблизу Халхин-Голу було знищене. Радянські війська припинили наступ. 15 вересня було підписано угоду між СРСР, МНР і Японією, згідно з якою бойові дії в районі річки Халхин-Гол припинялися з 13.00 16 вересня на тих позиціях, які війська сторін займали до цього моменту. 15 вересня відбулася і остання повітряна битва. 200 японських винищувачів і бомбардувальників намагалися бомбити радянську авіабазу Тамцаг-Булак, але були перехоплені винищувачами. Японці втратили 9 машин, радянські ВПС — 6.
Втрати в боях поблизу Халхин-Голу радянських військ становили 9652 вбитих, померлих від ран і зниклих безвісти. Ще 51 особа померла в наслідок хвороб, нещасних випадків, катастроф та інших небойових причин. Радянські втрати пораненими становили 15 251 особу, а 2287 осіб було шпиталізовано через хворобу. Втрати монгольських військ становили 895 осіб, з яких на вбитих і померлих припадало 234 особи. Загальні радянські втрати вбитими, померлими, пораненими, хворими та полоненими становили 27 330 осіб, а разом із монгольськими військами — 28 225 осіб. Японсько-маньчжурські війська втратили 8629 убитих, 842 померлих від ран, хвороб та з інших причин, 9087 поранених і 2350 хворих, зокрема померлих від ран і хвороб. З полону повернулися 89 червоноармійців, 160 японців і 44 маньчжури. Загальні втрати японців і маньчжурів становили 20 270 осіб (зокрема 2895 маньчжурів). Радянське командування визначало втрати противника в 61 тис. осіб, але усіх військ у японців поблизу Халхин-Голу було вдвічі менше. Якщо втрати сторін вбитими і померлими були майже рівним (9937 з радянсько-монгольського боку і 9471 — з японо-маньчжурського), то поранених у японців було майже вдвічі менше. Це пояснювалося тим, що японські військовослужбовці, опинившись в оточенні, воліли загинути чи заподіяти собі смерть, аби лишень не здатися в полон.
Радянські ВПС безповоротно втратили 250 літаків, зокрема 42 — з небойових причин. 436 машин було пошкоджено. Людські втрати становили 109 загиблих (зокрема 88 — у повітряних боях), 65 зниклих безвісти і 113 поранених. Японські ВПС втратили безповоротно 162 літаки. Ще 220 машин було пошкоджено. У ВПС Японії 163 особи загинуло і 52 були тяжко поранені. Радянські війська безповоротно втратили 253 танки і 133 бронемашини, японці — 13 танків (ще 29 танків було пошкоджено, але потім відремонтовано) і майже всі танкетки.
Кордон між Монголією і Маньчжурією встановили у травні 1942 року. Тоді Червона армія зазнала поразки на радянсько-німецькому фронті. Тому було прийнято японську версію кордону, базовану на мапі кінця XIX століття, — по річці Халхин-Гол, якою і була лінія фактичного контролю до початку конфлікту. Але після капітуляції Японії в серпні 1945 року було встановлено радянську версію кордону між Монголією і Китаєм — з монгольським плацдармом на східному березі Халхин-Голу.
Перемогу майбутній маршал Жуков здобув великою кров’ю і завдяки великій перевазі в людях і техніці. Ця перемога зміцнила переконання Георгія Костянтинович, так і Сталіна, що наступати треба, не зважаючи на жертви, тоді можна здобути швидку перемогу (вирішальний радянський наступ завершився за 12 днів). У результаті у війні з Німеччиною радянські втрати в багато разів зросли, а до перемоги довелося йти довгих чотири роки.
