Накануне подготовленного штабом Г. К. Жукова генерального наступления советская авиационная группировка достигла своей максимальной численности — 580 боевых машин и захватила господство в воздухе.
20 августа советско-монгольские войска начали операцию по окружению и уничтожению японских войск на восточном берегу Халхин-Гола.
В 5.45 утра по японским позициям нанесли удар 150 бомбардировщиков под прикрытием 144 истребителей. СБ бомбили прицельно, с высот от 2500 до 3000 метров. Специальные штурмовые группы И-16 общей численностью 46 самолетов подавили огонь зенитной артиллерии. В ходе налета ни один Ki-27 над полем боя не появился. За 15 минут до окончания артиллерийской подготовки над полем боя появилась вторая волна бомбардировщиков — 52 СБ в сопровождении 162 истребителей. В ходе двух массированных налетов не было потеряно ни одного советского самолета. Кроме того, наши летчики провели очередную успешную штурмовку передового аэродрома и сожгли на стоянках пять истребителей, а также — двухмоторный транспортник Ki-34, еще девять Ki-27 получили повреждения.
21 августа советское наступление продолжалось. Войска 1-й армейской группы двумя охватывающими ударами с севера и с юга стремились взять в кольцо японскую группировку.
Пытаясь вернуть утраченное превосходство, командование японских ВВС решило нанести серию массированных ударов по советским аэродромам. В операции задействовали 24 одномоторных бомбардировщика Ki-30, 12 двухмоторных Ki-21 и 15 штурмовиков Ki-36. Истребительный эскорт обеспечивали 88 истребителей. Первая волна стартовала с рассветом. Противник был заблаговременно обнаружен постами ВНОС, советские истребители встретили нападавших уже в воздухе. В 15–20 км к северу от Тамцаг-Булака разгорелось воздушное сражение, в котором с нашей стороны участвовали 123 И-16, 51 И-153 и 30 И-15бис, а с японской — до 50 бомбардировщиков и до 80 Ki-27. По советским данным, в бою было сбито 11 истребителей и два одномоторных бомбардировщика противника. Наши потери — шесть истребителей и три пилота. Часть бомбардировщиков все же прорвалась к аэродрому, но только одна из сброшенных ими бомб попала в цель, уничтожив СБ. Примерно через час навстречу второй волне бомбардировщиков — 20–25 машин — вылетели 32 И-16 из 56-го авиаполка. В этот раз японцев перехватили еще над восточным берегом Халхин-Гола и «срезали» три бомбовоза. В 14.45 58 И-16 и 11 И-153 из 22-го полка, вылетевшие на штурмовку, встретили еще одну группу японцев, в которой было примерно 15 бомбардировщиков и 25 истребителей. Краснозвездные машины устремились в атаку и, по докладам пилотов, без потерь сбили три Ki-30 и семь Ki-27. Последний воздушный бой состоялся около 17 часов — 52 И-16 и восемь «чаек» встретили над берегами Хайластын-Гола около 60 самолетов противника и сбили два, потеряв один.
Главный итог дня состоял в том, что попытка «самураев» перехватить инициативу закончилась провалом, хотя они и заявили, об уничтожении 84 советских самолетов, в том числе 19 бомбардировщиков. На самом деле, потери советских ВВС составили семь истребителей и пять СБ, причем четыре бомбардировщика были сбиты зенитным огнем.
С 22 августа японцы перенацелили свои бомбардировщики на поддержку наземных войск, но и в этом не преуспели.
Новый «всплеск» воздушных боев отмечен 25 августа — в решающий день советской наступательной операции. В этот день вокруг японской группировки на восточном берегу Халхин-Гола замкнулось кольцо окружения, а воздух, согласно воспоминаниям Константина Симонова, «просто кипел самолетами»:
«Авиации было много с обеих сторон, причем первые два месяца превосходство было на стороне японцев, и только на третий месяц после упорной борьбы оно перешло к нам. К концу боев с нашей стороны было собрано особенно много авиации. В первые сутки нашего августовского наступления мы подняли в воздух без малого тысячу самолетов. Что касается происходивших над степью воздушных боев, то я никогда потом не видел такого количества самолетов в воздухе сразу в обозримом глазом пространстве».
Японская авиация, усиленная бипланами «Кавасаки» Ki-10 (наше обозначение И-95) — всё, что смогла наскрести Квантунская армия — пыталась помочь своим окруженным войскам, но ее атаки не приносили успеха. Финальная точка была поставлена 31 августа, когда был завершен разгром японской группировки, хотя схватки в воздухе продолжались до середины сентября. За время советского наступления противник лишился как минимум 43 самолетов.