23 июля японцы атаковали в лоб советскую линию обороны, но не смогли ее прорвать. Их собственные проблемы со снабжением требовали определенного времени для подготовки третьего наступления. Но им не было известно, что силы Жукова к этому моменту возросли уже до 58 тыс. человек при 500 танках и 250 самолетах.

В 5 часов 45 минут утра в воскресенье 20 августа Жуков начал свое неожиданное для японцев наступление, проведя сначала трехчасовую артподготовку, а затем бросив в бой танки, авиацию, пехоту и кавалерию. Стояла ужасная жара. При температуре воздуха свыше 40 градусов пулеметы и орудия, по словам очевидцев, просто заклинивало, а пыль и дым от разрывов снарядов заволокли поле боя.

В то время как советские войска в составе трех стрелковых дивизий и воздушно-десантной бригады упорно сдерживали натиск врага в центре, сковывая основные силы японцев, Жуков послал три танковые бригады и дивизию монгольской кавалерии в обход, нанеся им удар с тыла. Его танки смогли преодолеть вброд приток реки Халхин-Гол и на высокой скорости устремились в тыл противника. Входившие в состав этих бригад танки Т-26 применялись испанскими республиканцами во время Гражданской войны. Они были легкими и быстроходными предшественниками созданного позднее Т-34, лучшего среднего танка Второй мировой войны. Устаревшие японские танки никак не могли противостоять советским Т-26, БТ-5 и БТ-7. У них даже не было бронебойных снарядов.

Японская пехота, несмотря на отсутствие эффективных средств борьбы с танками, сражалась отчаянно. Лейтенант Садакаи атаковал танк, размахивая своим самурайским мечом, пока его не срезала пулеметная очередь. Японские солдаты, заблокированные в своих дзотах, продолжали сражаться и наносили серьезный урон атакующим, вынужденным в некоторых случаях вызывать на помощь танки, вооруженные огнеметами, для их «выкуривания». Жукова не смущали потери в живой силе. Когда командующий Забайкальским фронтом, прибывший наблюдать за ходом битвы, предложил Жукову остановить наступление на некоторое время, тот ответил вежливым, но твердым отказом. Если бы он остановил наступление, а затем бы начал его вновь, утверждал Жуков, то потери советских войск были бы в десять раз больше «из-за нашей нерешительности».

Несмотря на твердую решимость японцев ни при каких обстоятельствах не сдаваться, старомодная тактика и устаревшее вооружение привели Квантунскую армию к унизительному поражению. Войска генерала Комацубара были окружены и почти полностью уничтожены в затянувшейся бойне, в которой погибла 61 тысяча японских солдат. Красная Армия потеряла 7 974 человека убитыми и 15 251 человека ранеными. К утру 31 августа все было кончено. Во время боев на Халхин-Голе в Москве был подписан советско-германский пакт о ненападении. А к тому времени, когда бои завершились, немецкие войска уже сконцентрировались вдоль границ с Польшей, готовые начать войну в Европе. Отдельные стычки продолжались в Маньчжурии до середины сентября 1939 г., но в свете сложившейся международной обстановки Сталин решил, что лучше быть осторожным и согласился на просьбы японцев о прекращении огня.

Жуков, прибывший несколькими месяцами ранее в Москву и опасавшийся тогда ареста, теперь возвратился, чтобы получить из рук Сталина «Золотую Звезду» Героя Советского Союза. Его первая победа, блестящее достижение в страшный для Красной Армии период, имела далеко идущие последствия. Япония была потрясена до самого основания этим неожиданным поражением, в то время как ее китайские враги, как националисты, так и коммунисты, воспрянули духом. В Токио фракция «удара на север», которая стремилась к войне с Советским Союзом, потерпела серьезное поражение. А фракция «удара на юг», во главе которой находилось командование военно-морских сил Японии, с этого момента оказалась на подъеме. В апреле 1941 г. Япония, приведя в полное смятение Берлин, подписала с Советским Союзом пакт о нейтралитете – всего за несколько недель до начала операции «Барбаросса», немецкого вторжения в СССР. Бои на Халхин-Голе, таким образом, оказали большое влияние на последующее решение Японии выступить против колоний Франции, Нидерландов и Британии в Юго-Восточной Азии и даже бросить вызов ВМС США в Тихом океане. Последующий отказ Токио от нападения на Советский Союз зимой 1941 г. с геополитической точки зрения сыграет чрезвычайно важную роль в самый решающий момент войны как на Дальнем Востоке, так и в смертельной схватке Гитлера с Советским Союзом.