Лидировали японцы и в небе. Советским истребителям И-15бис и И-16 противостояли японские Ki-27 («тип 97»). Японские лётчики демонстрировали высокое мастерство: грамотно вели групповой бой, использовали радио, могли вести прицельный огонь даже вверх колёсами.
Арсений Ворожейкин – один из лучших истребителей Великой Отечественной – вспоминал первый воздушный бой 27 мая 1939 года: при налёте девятки японцев шестёрка пошла на взлёт, троих сожгли сразу же. На другой день навстречу врагу поднялась десятка И-16. Восемь пилотов погибли, двое приземлились в степи. «Надо было учиться воевать», – пишет лётчик.
Выводы были сделаны: уже 29 мая в Монголию направили сорок восемь лётчиков во главе с заместителем начальника Военно-воздушных сил РККА комкором Яковом Смушкевичем – небесную элиту, ветеранов Испании и Китая. Асы не только воевали, но и учили, усовершенствовали тактику, улучшили систему воздушного наблюдения, оповещения и связи. В Монголию поступили более современные истребители – И-153 («Чайка»), И-16 новых модификаций, в том числе вооружённые реактивными снарядами (первое боевое применение НУРСов). Уже в конце июня воздушные потери японцев заметно выросли.
Константин Симонов: «Первые два месяца превосходство было на стороне японцев, и только на третий месяц после упорной борьбы оно перешло к нам… Я никогда потом не видел такого количества самолётов в воздухе сразу в обозримом глазом пространстве». Историк Вячеслав Кондратьев: «Развернувшиеся на Халхин-Голе воздушные битвы с участием 200–300 самолётов являлись беспрецедентными в истории авиации вплоть до начала знаменитой “Битвы за Англию”. Да и во времена Второй мировой сражения такого масштаба происходили нечасто».
Здесь принял боевое крещение Иван Полбин – будущий генерал, лучший пикировщик предстоявшей войны. В Монголии он командовал бомбардировочной эскадрильей.
Именно в разгар боёв на Халхин-Голе, 1 августа 1939 года, была учреждена медаль «Золотая Звезда», которую стали вручать Героям Советского Союза вместе с орденом Ленина. Если первые Герои появились над чукотскими льдами, то первые дважды Герои – в Монголии.
5 июня в городок Тамцаг-Булак, где располагался штаб 57-го корпуса, прибыл комдив Георгий Жуков, заместитель командующего Белорусским военным округом по кавалерии, командированный в Монголию для изучения причин неудач. Через несколько дней по докладу Жукова комдива Фекленко сняли с должности за потерю управления и незнание обстановки, а на его место назначили самого Жукова. Первым делом «кавалерист» переместил свой командный пункт ближе к линии соприкосновения. Жуков решил: открытое пространство требует подвижных войск, способных к быстрому маневру; условие внезапности – широкое рассредоточение войск и скрытность; необходимо надёжное воздушное прикрытие, снабжение, медицина; важны навыки ночного боя. В июне Жуков укреплял оборону на восточном берегу Халхин-Гола и готовил контрудар. Для координации действий советских и монгольских войск прибыл командарм Штерн. На Халхин-Гол направили начальника артиллерии РККА комкора Воронова.
В ночь со 2 на 3 июля группа генерал-майора Кобаяси, форсировав Халхин-Гол, заняла на западном берегу реки гору Баин-Цаган. Планы японцев сорвал подвижный резерв Жукова, который, не дожидаясь подхода пехоты, с марша бросил в бой танковую бригаду Яковлева. Нарушая устав и действуя вопреки мнению Штерна, Жуков рисковал. Позже из Москвы для проверки его действий даже высылали две комиссии во главе с заместителем наркома обороны Куликом и начальником Главного политуправления Мехлисом, но обошлось. В Баин-Цаганском сражении с обеих сторон участвовало до четырёхсот танков и бронемашин, более восьмисот орудий, сотни самолётов – ничего подобного военная практика не знала. 5 июля японские войска начали отступать, потеряв почти все танки и пушки, но всё ещё оставались на территории Монголии. Жуков приступил к разработке наступательной операции, решив ударами с флангов окружить и уничтожить противника между Халхин-Голом и монгольско-маньчжурской границей. 15 июля 57-й корпус развернули в армейскую группу, из Московского военного округа перебросили танки БТ-7 и БТ-5, в Забайкальском военном округе провели частичную мобилизацию. Сосредоточение войск происходило скрытно; войска, технику, боеприпасы, продукты везли по ночам за сотни километров на грузовиках. Наступление советско-монгольских войск началось 20 августа артподготовкой и авианалётом. К 26 августа окружение 6-й японской армии завершилось. «Японские части дрались до последнего человека», – писал Жуков. В беседе со Сталиным он так оценит противника: «Японский солдат… хорошо подготовлен, особенно для ближнего боя… Дисциплинирован, исполнителен и упорен в бою… Как правило, младшие командиры в плен не сдаются и не останавливаются перед харакири». А вот японские офицеры, по оценке Жукова, были малоинициативны и склонны действовать по шаблону.