2 августа советские ВВС начали новое воздушное наступление на японские аэродромы в зоне боевых действий, используя большие группы бомбардировщиков с сильным прикрытием. Японские силы понесли тяжелые потери, особенно на земле. Ухудшающаяся ситуация заставила японское командование перебросить в район Номонгана дополнительные авиационные части, среди которых был вооруженный Ki-27 64-й Сентай (командир — майор Хачио Йокояма), в состав которого входило только два Чутая с пятнадцатью истребителями. Подразделение прибыло в район Халхин-Гола из Китая 15 августа и 17 мая выполнило первый боевой вылет, не встретив самолетов противника.
На рассвете 20 августа советские войска начали воздушное и наземное наступление, атаковав позиции Квантунской армии в районе Халхин-Гола силами 150 бомбардировщиков под прикрытием 144 истребителей. Затем последовал артиллерийский удар и атака сухопутных войск, включая танки. Вторая волна состояла из 52 бомбардировщиков СБ под охраной 150 истребителей. Эта группа была перехвачена Ki-27 из 11-го и 64-го Сентаев: в результате разгорелся один из самых ожесточенных в этом конфликте воздушных боев. По советским данным в этот день было уничтожено шестнадцать японских самолетов без потерь со своей стороны. В свою очередь, японцы утверждали, что им удалось сбить 35 советских машин (два СБ и 33 истребителя) и пять уничтожить на земле, не понеся при этом потерь!
В этот день произошел интересный случай, предвестник будущей (ещё очень далекой) революции в тактике воздушного боя. Советские И-16 тип 10 (или тип 17) из экспериментального подразделения 22 ИАП впервые использовали неуправляемые ракеты (82-мм РС-82) и, по советским данным, сбили два Ki-27 над озером Буир-Нур. Противник не подтверждает факт потери своих самолетов. Действительно, сомнительно, что неуправляемые ракеты окажутся эффективными при борьбе с маломерными маневренными целями. Однако психологический эффект, произведенный на японских пилотов, должен был быть очень велик.
На следующий день, 21 августа, бои шли практически непрерывно, от рассвета до заката. Японцы использовали 49 легких и тяжелых бомбардировщиков, которых сопровождали 88 Ki-27 из 1-го, 11-го, 24-го и 64-го Сентаев, а советские ВВС подняли в воздух более 250 самолетов. По советским данным в воздухе было уничтожено 17 японских машин и ещё несколько на земле, собственные потери составили шесть самолетов. Японцы претендуют на 59 побед (из них 58 истребители) в воздухе и 25 — на земле (7 истребителей), собственные потери оценивались в шесть самолетов. На следующий день советские ВВС уничтожили 74 японских самолета: японцы сообщили об уничтожении двенадцати советских машин при собственных потерях в четыре самолета (включая два Ki-27). Активные боевые действия в воздухе происходили 23 и 25 августа, причем по советским данным в последний день было уничтожено 48 японских самолетов (включая 41 Ki-27) без потерь со своей стороны.