Атакующие войска действовали в первый день в точном соответствии с планом операции. Артиллерийская подготовка велась два с половиной часа. 20 августа все части наступали на отведенной для них полосе фронта. Только 6-я танковая бригада не смогла в полном составе переправиться через реку Халхин-Гол и принять участие в дневном бою. Ее последние танки оказались на противоположном речном берегу только к исходу воскресного дня. Наведенный саперами понтонный мост не выдержал тяжести танков, поэтому было решено переправлять их вброд. Поскольку глубина реки в этом месте доходила до основания танковых башен, то танкистам пришлось конопатить все щели в своих машинах, чтобы вода не залила моторы. Полки 8-й монгольской кавалерийской дивизии на южном участке заняли линию государственной границы между высотами Эрис-Улай-Обо и Хулат-Улай-Обо. Стоявшая там баргудская конница была сбита на протяжении всех 15 километров участка границы.
Самые тяжелые бои в первый же день наступательной операции развернулись на центральном участке. Здесь основу обороны японцев составляли две хорошо укрепленные в инженерном отношении высоты — Песчаная и Зеленая. Окопы здесь были полного профиля с многочисленными пулеметными ячейками и батарейными позициями. Атакующим к исходу 20-го числа удалось в полосе вражеской обороны продвинуться вперед только на 500—1000 метров. Чтобы подавить очаги сопротивления, советские артиллерийские батареи прицельным огнем обстреливали их и разрывами снарядов помогали авиации наносить более точные бомбовые удары.
Оправившись от первого удара, японские войска 21-го и 22-го числа повели упорные оборонительные бои. Особенно стойко они держались в районе Больших Песков, и командующему Жукову пришлось ввести в сражение резервную 9-ю мотоброневую бригаду и добавить на этот участок фронта артиллерии. Ожесточенные схватки прошли у высоты Фуи («Палец»). Здесь наступающим пришлось даже окопаться у ее подножия.
В первый же день наступления командование 6-й японской армии оказалось в заблуждении, так и не сумев определить главное направление удара советских войск. На поле боя был найден приказ командира 23-й пехотной дивизии генерал-лейтенанта Камацубары, датированный 20 августа. Он гласил: «Противник наступает равномерно по всему фронту, а главный удар наносит на северном участке, на высоту Фуи». На самом же деле главный охватывающий удар с начала операции наносила Южная группа советских войск.
Жуковский план операции удавался на славу. Противник, скованный атакующими усилиями Центральной группы советско-монгольских войск, не смог оказать поддержки своим частям, находившимся на флангах. Бронетанковые и механизированные войска наступающих Южной и Северной групп к исходу 26 августа соединились и завершили полное окружение японской 6-й армии. После этого отсекающими ударами началось ее дробление и уничтожение по частям.
Бои шли в пустынной местности с большим обилием песчаных барханов, сыпучих песков, глубоких котлованов. Наступавшие испытывали затруднения со снабжением питьевой водой.
Продолжались налеты советской авиации на японские позиции. Только за 24 и 25 августа бомбардировщики СБ совершили 218 боевых групповых вылетов и сбросили на противника около 96 тонн бомб. Истребителями за эти два дня в воздушных боях было сбито около 70 японских самолетов.
О том, как шло сражение на реке Халхин-Гол,, рассказывается в дневнике погибшего японского солдата Факуты: