Пока день продолжался, давление на отряд Адзумы усиливалось. В бой вступили главные силы советского 149-го стрелкового полка с артиллерией. 149-й полк под командованием майора Ремизова был лишь недавно направлен в Тамцаг-Булак в порядке меры предосторожности, переброшен в район Номонхана на грузовиках и сразу же брошен в бой у моста, что сделало положение Адзумы безнадежным. Пехота Ямагаты была связана боем в нескольких милях к востоку и не могла помочь отряду Адзумы. Несколько попыток доставить отряду Адзумы боеприпасы окончились неудачно, все подносчики боеприпасов погибли.
После наступления темноты давление советских войск на отряд Адзумы несколько уменьшилось. Майор, сопровождавший подполковника Адзуму, попытался убедить его отступить и пробиться к главным силам Ямагаты, но Адзума снова отказался, настаивая, что его задача - удерживать позицию у слияния двух рек до подхода главных сил. Этот отказ отступить по собственной инициативе, оказавшись в безнадежной тактической ситуации, и предпочитая вместо этого сражаться до последнего человека, был типичным для японской армии. Слова "отступать" в прямом смысле даже не было в лексиконе японских офицеров. Вместо него существовал эвфемизм "наступать в другом направлении". Но это действие считалось позорным, и для боевого командира отступить без прямого приказа было преступлением, наказуемым смертью.
На рассвете 29 мая советская артиллерия - 122-мм гаубицы, 76-мм полевые пушки и бронеавтомобили - обрушила еще более мощный огонь на отряд Адзумы, разрушая японские окопы в песчаной почве. От зажигательного снаряда взорвался бензобак машины Адзумы, в результате пожара сгорели оставшиеся японские грузовики, в том числе и те, на которые были погружены раненые солдаты.
Во второй половине дня советские пехотинцы подошли на 50 ярдов к позициям Адзумы с трех сторон, а несколько советских бронеавтомобилей атаковали с тыла. Уцелевшие японцы сражались отчаянно. Наконец, после 18:00 подполковник Адзума повел последние оставшиеся две дюжины своих солдат в "банзай-атаку" и был сразу же убит пулеметным огнем. Большинство его солдат погибли вместе с ним. Последние выживший офицер, раненый лейтенант медицинской службы приказал уцелевшим солдатам под прикрытием темноты пробираться к главным силам. Но спастись ночью смогли только четыре человека, остальные погибли или попали в плен.
Когда 29 мая генерал Комацубара был извещен о тяжелой ситуации у Номонхана, он с запозданием направил Ямагате подкрепления - несколько рот пехоты, артиллерию и противотанковые пушки. Некоторые японские источники сообщают, что на командный пункт Ямагаты приехал майор Цудзи и упрекнул полковника в неоказании помощи отряду Адзумы. После этого Цудзи настоял, чтобы ночью с поля боя были вывезены тела всех убитых японских солдат. За следующие три ночи солдаты отряда Ямагаты вывезли с поля боя почти двести трупов своих товарищей из отряда Адзумы, в том числе их командира. Так как выбить советско-монгольские войска с занимаемых ими позиций так и не удалось, отряд Ямагаты получил приказ отступить и перегруппироваться в районе Канчжурмяо. Интересно, что майор Ремизов принял свет фар японских грузовиков, освещавших поле боя в поисках своих убитых, за признаки возобновленного наступления японцев, и отвел главные силы 149-го полка на западный берег Халхи. Только 3 июня Ремизов узнал, что отряд Ямагаты отступил, после чего советско-монгольские войска снова заняли спорную территорию.
Оценивая этот бой, японцы считают причинами разгрома отряда Адзумы следующие факторы:
1) Плохое планирование и ведение разведки со стороны генерала Комацубары и полковника Ямагаты.
2) Очень плохая связь между отрядами Адзумы и Ямагаты.
3) Отсутствие тяжелого оружия у отряда Адзумы.
Кроме почти 200 человек, погибших из состава отряда Адзумы, Ямагата потерял еще 159 человек убитыми, 119 ранеными и 12 пропавшими без вести из состава главных сил своего отряда. Общие потери японских войск в бою 28-29 мая составили почти 500 человек, почти 25 процентов отряда Ямагаты.
Советские источники удостаивают особой похвалы действия лейтенанта Ю. Вахтина. Он и его батарея самоходных орудий, как считается, сыграли главную роль в отражении атаки отряда Адзумы на мост и последующем его разгроме. Согласно советским источникам, отряд майора Быкова потерял 60-70 человек. По сообщению ТАСС, общие потери советско-монгольские войска в бою 28-29 мая потеряли 40 человек убитыми и 70 ранеными. По более новым российским исследованиям (например, по книге Максима Коломийца "Бой у реки Халхин-Гол" 2002 г.) советско-монгольские потери составили 138 убитых и 198 раненых. Монгольская кавалерия понесла значительные потери не только при первой атаке японцев, но и позже, попав под "дружественный огонь" советской и монгольской артиллерии.