У отряда Ямагаты было численное превосходство, и ему удалось достигнуть тактической внезапности, особенно против монгольской кавалерии. Но эти преимущества были нейтрализованы несколькими факторами. Полковник Ямагата разделил свои силы на пять отдельных отрядов, ни один из которых не был достаточно силен. Его сложный план атаки требовал тщательной координации, но радиосвязь между японскими подразделениями нарушилась сразу из-за дефектов оборудования. Но самым важным фактором было советское превосходство в огневой мощи, благодаря 76-мм САУ ( плюс четыре монгольских пушки) и бронеавтомобилям. БА-6 не был просто бронированным грузовиком, это была действительно боевая машина с башней от легкого танка Т-26, вооруженная 45-мм скорострельной пушкой. На две пары задних ведущих колес могли быть надеты гусеницы, что давало ему проходимость полугусеничной машины. Однако его высокая скорость (52 км/ч или 27 миль в час) и небольшая масса (5 тонн) достигались ценой очень тонкой брони (9 мм), которая могла быть пробита огнем тяжелых пулеметов с ближней дистанции.
Утром 28 мая пехотные роты Ямагаты начали бой, атаковав советско-монгольские подразделения у Номонхана. Легко вооруженная монгольская кавалерия была отброшена, что заставило советские пехотные роты также отойти к реке Халха. В отчаянии полковник Шоаайбуу бросил в бой даже учебную роту, но японская пехота захватила его командный пункт, полковник и большая часть офицеров его штаба погибли.
Когда бой приблизился к реке, открыла огонь советская артиллерия и бронеавтомобили, замедлив продвижение отряда Ямагаты. В этот момент Ямагата решил изменить основную задачу главных сил своего отряда - не пробиваться к слиянию двух рек, а захватить высоту в нескольких милях к востоку от Халхи, где окопалась советская пехота. Странным - и непростительным - образом об этом изменении в планах Ямагаты не был проинформирован подполковник Адзума. Было ли это прямое упущение со стороны Ямагаты или следствие технических проблем с радиосвязью, результат оказался для Адзумы фатальным.
Майор Быков смог перегруппировать свои силы в 1-2 милях к востоку от слияния рек Халха и Хольстен, и занял оборону там. Вскоре наступление Ямагаты остановилось, и его солдаты начали окапываться для защиты от огня советской артиллерии.
Тем временем подполковник Адзума, с самого начала боя не имевший связи с главными силами Ямагаты из-за неисправностей оборудования, оказался в еще худшей ситуации. Его отряд должен был стать наковальней, на которой молот Ямагаты должен был сокрушить врага. Но если у молота не хватало сил, наковальня была еще слабее. Когда утром 28 мая отряд Адзумы приблизился к мосту, Адзума был удивлен, увидев, что мост обороняет советская пехотная рота при поддержке саперов, бронеавтомобилей и артиллерии.
Командир советской батареи СУ-12 лейтенант Ю. Вахтин быстро понял намерения японцев и по своей инициативе передислоцировал свою батарею на восточный берег Халхи, чтобы предотвратить захват моста японцами. У отряда Адзумы не было артиллерии и противотанкового оружия, и поэтому он не имел никакой возможности отбросить от моста советские силы. Когда наступление Ямагаты остановилось, отряд Адзумы оказался между двумя вражескими группировками, превосходившими его в численности. Окружавшие сами попали в окружение. Не имея возможности связаться с Ямагатой по радио, Адзума направил нескольких посыльных, чтобы сообщить о своем отчаянном положении. К тому времени, когда они достигли Ямагаты, его главные силы уже рассредоточились на четыре отдельных группы, и их наступательный порыв был полностью истощен. Хотя отряды Ямагаты и Адзумы разделяло лишь несколько миль, радиосвязь работала лишь изредка, а посыльным приходилось преодолевать большое расстояние под огнем врага. Ямагата не смог ни перегруппировать свои силы, ни пробиться сквозь оборону советско-монгольских войск, чтобы помочь Адзуме.
К полудню отряд Адзумы был окружен и оказался под все более усиливавшимся давлением советской пехоты и монгольской кавалерии с востока, и под обстрелом артиллерии, бронеавтомобилей и минометов с запада, с обоих берегов Халхи. Кавалеристы Адзумы были вынуждены сражаться, спешившись, и окапываться под огнем без шанцевых инструментов. В тот момент Адзума, вероятно, еще мог бы вырваться из окружения, но он упорно пытался выполнить поставленную ему задачу - удерживать оборону у моста и блокировать путь отступления противника, ожидая подхода главных сил Ямагаты. Он отказывался покидать свою позицию без приказа и был намерен держаться так долго, сколько это будет возможно, в надежде на прибытие помощи от Ямагаты - не зная о том, что Ямагата уже изменил план операции.