Наземное наступление продолжалось до конца августа и японцам пришлось уйти в глухую оборону. ВВС противоборствующих сторон также не остались без дела. Превосходство Советов в воздухе становилось все более очевидным. К примеру, по советским данным, между 20 и 31 августа было уничтожено 236 японских самолетов при собственных потерях в двадцать машин. Хотя японцы сообщили об уничтожении 102 советских самолетов (реальные потери ВВС составили 77 самолетов) ценой потери только девяти Ki-27, этот результат выглядит слишком оптимистичным. В бой были брошены даже устаревшие Ki-10, доставленные из Китая, которые поделили между истребительными Сентаями. В августе японцы потеряли четырех командиров Сентаев и Чутаев много других опытных пилотов. 27 августа при сопровождении бомбардировщиков был сбит самый результативный японский ас уоррент-офицер Хиромичи Синохара. Утверждают, что перед гибелью ему удалось сбить три вражеских истребителя.
Воздушные бои над Халхин-Голом, начавшиеся в мае, продолжались до конца августа, хотя случайные стычки имели место и в сентябре. Например, 1 сентября пятьдесят И-153 и И-16 атаковали группу приблизительно из 60 Ki-27 из 1-го, 11-го и 64-го Сентаев. Японцы утверждали, что в этом двадцатиминутном бою им удалось сбить 33 самолета противника, потеряв лишь пять своих истребителей. Их оппоненты говорят о 41 уничтоженной японской машине. В начале сентября 2-й Хикошидан получил подкрепление в виде 2-го Хикодана из Кореи, в составе которого было 30 Ki-10 (9-й Сентай) и 32 бомбардировщика. 9 сентября из Китая прибыл 59-й Сентай под командованием полковника Иссака Имагава, в двух Чутаях которого было 23 Ki-27. В этот день число японских истребителей в районе Номонгана составило 295 машин — больше, чем в самый разгар боев.
После длительного перерыва воздушные операции возобновились 14 сентября. Утром десять бомбардировщиков Ki-30 в сопровождении 45 Ki-27 атаковали советские аэродромы около озера Буир-Нур. На перехват поднялись 75 И-16 и 15 И-153. После боя японцы сообщили об уничтожении девяти советских самолетов; Советы заявили, что им удалось сбить три японских машины. На самом деле ни одна из сторон не понесла потерь. Последние бои над Халхин-Голом произошли на следующий день, 15 сентября. Они были самыми массовыми за весь конфликт — 212 советских и около 180 японских истребителей (1-й, 11-й, 24-й, 59-й и 64-й Сентаи). Пилоты советских ВВС заявили об уничтожении девятнадцати (по другим данным — двадцати) самолетов противника при собственных потерях в шесть истребителей (один И-16 и пять И-153). Японцы претендуют на 39 сбитых самолетов противники в обмен на девять Ki-27 и один бомбардировщик. Среди погибших японских пилотов был ас, на счету которого было 27 побед — командир 1-го Чутая 11-го Сентая капитан Кенджи Симада. На следующий день, 16 сентября, было подписано перемирие между противоборствующими сторонами. По японским данным они сбили в сентябре 121 советский самолет и потеряли 24 своих. Однако, Советы утверждают, что сбили 70 японских самолетов ценой потери четырнадцати истребителей.
Легкий конфликт 1939 года на Халхин-Голе был одним из самых жестких столкновений в воздухе со времен Первой Мировой войны. Даже во время японо-китайской войны не было таких интенсивных боев. Эта война стоила жизни 152 японским пилотам, из них 95 — летчики-истребители. Самые тяжелые потери понес 24-й Сентай, который лишился 70 % первоначального состава, и 11-й Сентай, потерявший 55 % пилотов. Советские потери составили 174 убитых или пропавших без вести пилота и 133 — раненых.