К 26 августа окружение стало еще более плотным, и три основных очага японского сопротивления оказались в сжимающемся кольце, крупномасштабный прорыв из которого был почти невозможен. Южная группа полковника Потапова атаковала двумя клиньями силами 6-й танковой бригады и 80-го стрелкового полка. Артиллерия японского 28-го полка смогла остановить атаку на левом фланге, но на правом фланге советские войска отбросили 26-й полк полковника Суми, и японцы были вынуждены отступить, оказавшись в еще более тесном кольце. Командир 28-го полка полковник Морита Тору, "неуязвимый для пуль", словно герой фильма Акиры Куросавы, был убит пулеметной очередью, когда стоял в траншее в полный рост, ободряя своих солдат.
Японские 120-мм гаубицы так перегрелись от интенсивной стрельбы на обжигающей августовской жаре, что их затворы стало заклинивать, и невозможно было выбросить стреляные гильзы. Измученные японские артиллеристы были вынуждены после каждого выстрела заталкивать в стволы гаубиц деревянные шесты, чтобы вытолкнуть гильзы. Это серьезно уменьшало и темп огня и срок службы стволов. Все артиллерийские части Комацубары постигла горькая участь. Большая часть японской артиллерии была развернута за позициями пехоты, и орудия были наведены на запад, в сторону Халхи. Но когда началось советское наступление, советские танки и бронеавтомобили, прорвав японскую оборону на многих участках и окружая главные силы японцев, часто атаковали японские батареи с востока - с тыла. Даже когда расчеты успевали развернуть некоторые орудия, их огонь был поспешным и неэффективным. Кроме того, большая часть пехоты, оборонявшей артиллерийские позиции, была задействована для проведения контрударов и обороны периметра. Одна за другой японские батареи уничтожались советскими танками и артиллерией. Японские артиллеристы, как и их товарищи танкисты, должны были защищать свои орудия до последнего человека. Сами орудия, как полковые знамена, считались "душой" батареи и ни в коем случае не должны были достаться противнику невредимыми. В крайнем случае орудия, особенно такие их ценные части, как оптика, следовало уничтожить. Ожидалось, что артиллеристы разделят судьбу своих орудий. Лишь немногие из них выжили. Среди выживших оказался один солдат, рядовой первого класса из уничтоженной гаубичной батареи, который ночью получил приказ вывезти в тыл тяжело раненых на одной из последних уцелевших машин - легковом "Додже". Уже перед рассветом он подъехал к мосту через реку Хольстен, который следовало пересечь до наступления дня - только тогда оставался какой-то шанс добраться до японских позиций на востоке. Мост охраняли советские часовые. Японский водитель осторожно подъехал к мосту и нажал на газ. Часовые вскинули винтовки и закричали, требуя остановиться. Чисто инстинктивно водитель нажал звуковой сигнал. Удивительно, но часовые отступили назад и пропустили "Додж", который на полной скорости помчался на восток.
Когда у японских солдат в самом восточном из "котлов" закончилась питьевая вода, а добраться до реки не было возможности, командир приказал брать воду для питья из радиаторов машин. Когда защитники были вынуждены фактически обездвижить свои машины и пить грязную жидкость из радиаторов, они поняли, что их положение безнадежно.
27 августа остальные силы японской 7-й дивизии - два свежих пехотных полка, артиллерийский полк и части поддержки (всего около 5000 человек) наконец достигли северо-восточного сегмента кольца окружения, которое 1-я армейская группа Жукова сомкнула вокруг войск Комацубары. Тяжелый бой шел весь день, и в его ходе стало понятно, что у японских подкреплений недостаточно сил, чтобы прорвать окружение снаружи. Генерал Огису приказал 7-й дивизии отступить и перегруппироваться в районе штаба 6-й армии, примерно в четырех милях к востоку от Номонхана и границы, на которую претендовала МНР. Ждать помощи войскам Комацубары было неоткуда.
27-28 августа советская авиация, артиллерия, танки и пехота громили три японских очага сопротивления, сжимая их все сильнее и постепенно уничтожая. Окруженные японцы сражались яростно, нанося большие потери советской пехоте, но исход сражения уже не вызывал сомнений. После того, как последняя японская артиллерия была подавлена, советские танки господствовали на поле боя. Один за другим очаги сопротивления японцев уничтожались. Многочисленным небольшим группам японских солдат все же удалось незаметно выскользнуть из окружения и пробраться на восток, на территорию Маньчжоу-Го. Но крупномасштабные операции японских войск в районе Номонхана фактически закончились.
К вечеру 27 августа части 57-й и 82-й советских дивизий южной группы уничтожили последние остатки японского сопротивления к югу от Хольстена. К северу от Хольстена ночью 28-29 августа около 400 японских солдат и офицеров попытались пробраться на восток, но их обнаружили советские солдаты 293-го полка и атаковали их. Японцы отказались сдаться и все были убиты при попытке переправиться через Хольстен.