23 июля японцы атаковали в лоб советскую линию обороны, но не смогли ее прорвать. Их собственные проблемы со снабжением требовали определенного времени для подготовки третьего наступления. Но им не было известно, что силы Жукова к этому моменту возросли уже до 58 тыс. человек при 500 танках и 250 самолетах.
В 5 часов 45 минут утра в воскресенье 20 августа Жуков начал свое неожиданное для японцев наступление, проведя сначала трехчасовую артподготовку, а затем бросив в бой танки, авиацию, пехоту и кавалерию. Стояла ужасная жара. При температуре воздуха свыше 40 градусов пулеметы и орудия, по словам очевидцев, просто заклинивало, а пыль и дым от разрывов снарядов заволокли поле боя.
В то время как советские войска в составе трех стрелковых дивизий и воздушно-десантной бригады упорно сдерживали натиск врага в центре, сковывая основные силы японцев, Жуков послал три танковые бригады и дивизию монгольской кавалерии в обход, нанеся им удар с тыла. Его танки смогли преодолеть вброд приток реки Халхин-Гол и на высокой скорости устремились в тыл противника. Входившие в состав этих бригад танки Т-26 применялись испанскими республиканцами во время Гражданской войны. Они были легкими и быстроходными предшественниками созданного позднее Т-34, лучшего среднего танка Второй мировой войны. Устаревшие японские танки никак не могли противостоять советским Т-26, БТ-5 и БТ-7. У них даже не было бронебойных снарядов.
Японская пехота, несмотря на отсутствие эффективных средств борьбы с танками, сражалась отчаянно. Лейтенант Садакаи атаковал танк, размахивая своим самурайским мечом, пока его не срезала пулеметная очередь. Японские солдаты, заблокированные в своих дзотах, продолжали сражаться и наносили серьезный урон атакующим, вынужденным в некоторых случаях вызывать на помощь танки, вооруженные огнеметами, для их «выкуривания». Жукова не смущали потери в живой силе. Когда командующий Забайкальским фронтом, прибывший наблюдать за ходом битвы, предложил Жукову остановить наступление на некоторое время, тот ответил вежливым, но твердым отказом. Если бы он остановил наступление, а затем бы начал его вновь, утверждал Жуков, то потери советских войск были бы в десять раз больше «из-за нашей нерешительности».
Несмотря