21 августа 1939 года на крайнем левом заходящем фланге была введена в бой 9-я мотоброневая бригада, усиленная 30 танками БТ, с задачей: переправиться через Халхин-гол, перейти государственную границу, выйти в тыл японским войскам и завершить окружение противника. К вечеру того же дня бригада в японском тылу в 20 км от передовой. Утром следующего дня бригада пошла вперед ротными колоннами, за которыми двигались броневики и танки. Впереди на дистанции 8–10 км двигался разведывательный батальон, справа и слева были высланы дозоры из 2–3 бронемашин на дистанции 10 км. Примерно через 15 км разведбат завязал бой с японской пехотой, прикрывавшей базу горючего и боеприпасов. Противник был рассеян и укрылся в сопки. Броневики и танки подошли к складу, у которого было большое количество грузовых машин, которые бросились врассыпную. Часть из них подбили огнем броневиков, со многих сбежали шоферы. На складе оказалось огромное количество бензина, которым заправили танки и броневики, а также взят запас. Командованию северной группы сообщили по радио, что имеется трофейный бензин различных сортов. Здесь же огнем танков и броневиков из засады был разгромлен следовавший на фронт в колонне без мер охранения японо-баргудский кавалерийский полк. Вскоре у трех замаскированных БА-20 9-й мотоброневой бригады приземлились два японских самолета, которые огнем броневиков были сожжены. Через некоторое время штабеля с боеприпасами были подожжены бронебойными 45-мм снарядами, в результате чего возник колоссальный пожар с большими взрывами снарядов. К вечеру 22 августа передовые броневики бригады подошли в реке Хайластын-гол, а к исходу 25 августа прочно закрепились на этом рубеже, отрезав пути отхода группировке противника на восток и северо-восток.
Командиры 8-й мотоброневой бригады у бронеавтомобиля БА-20. Халхин-гол, июль 1939 года (АСКМ).
В течение 25–28 августа японцы пытались большими группами прорваться на восток, но все их попытки оказались безуспешными. При этом броневики держали в кулаке и огнем с короткими контратаками уничтожали всякую японскую группу, которые прорывались на стыке южной и северной групп. Во всех этих боях экипажи бронемашин проявляли чудеса выдержки и героизм. Например, на рассвете 28 августа экипаж одного БА-10 бронебатальона 9-й мотобронебригады, находясь в разведке, заметил, что японцы в полутьме катят на руках две тяжелые пушки с южного участка к переправе. Броневик открыл огонь из пулеметов и перебил расчет, а пушки вывел из строя бронебойными 45-мм снарядами.
Бронеавтомобиль ФАИ из состава бронедивизиона 6-й кавдивизии армии МНРА. Халхин-гол, июль 1939 года (АСКМ).
9-я мотобронебригада находилась в японском тылу 11 суток, действуя на фронте 18–20 км. При этом охрану позиций своей пехоты ночью бронеавтомобили вели группами по 3–5 машин. При этом броневики работали с большой нагрузкой (охрана дорог, ликвидация прорывающихся групп, разведка в тылу, установление связи с соседями, атаки с пехотой). Их экипажи вели ежедневные бои с 8.00 до 23.00, на отдых и принятие пищи времени оставалось очень мало. Кроме того, часто японцы ночью предпринимали атаки, пытаясь прорваться через кольцо окружения.
Следует сказать, что стрельба броневиков и танков ночью в ходе боев на Халхин-голе не применялась. Единственным случаем стало действие группы из 6 БА-20 9-й мотоброневой бригады. 30 августа в 23.00 эти машины преследовали по местности группу японской пехоты, прорвавшуюся через кольцо окружения:
«Ночь была лунная и силуэты убегающих японцев были видны на дистанции 200–400 м, местность была равнинная, отдельные места были изрыты траншеями. Башенные стрелки устанавливали прицел при свете в башне, после чего стрельба велась без всякого света с прицелом 4. Все броневики вели огонь в одно место. Результаты стрельбы оказались очень эффективными. Ночью было видно, как ложились японцы. Считали, что они укрылись, но утром проверили и нашли во всех местах, куда вели огонь, трупы соответственно количеству силуэтов. Стрельба велась с остановок после броска вперед.
Машины шли колонной на дистанции 10–20 м и огонь вели в сторону».
Всего в ходе боевых действий у реки Халхин-гол было безвозвратно потеряно 93 бронеавтомобиля БА-3, БА-6, БА-10 и 31 ФАИ и БА-20 (сюда включены машины, не подлежащие восстановлению — сгоревшие или полностью разбитые, — а также захваченные противником), а еще 209 броневиков требовали капитального, среднего или текущего ремонта, причем большая часть из них имела боевые повреждения.
Согласно «Сводной ведомости на выведенную из строя матчасть с начала боев до 16 сентября 1939 года» причины безвозвратных потерь были следующие: