除了坦克以外，空战中得到制空权的苏联空军还出动了20架轰炸机和50架伊-16战斗机支援地面部队。
一架架轰炸机飞到日军上方，投下了一枚又一枚的炸弹，把地面上的日本鬼子炸得遍体鳞伤，地面上出现了无数个黑色的坑洞；挂载了6支火箭的伊-16战斗机往日军坦克集群低飞而去，飞行员冷静地瞄准了装甲薄弱的日军坦克，发射了一支又一支的火箭。
日军坦克的装甲实在是太薄，九五式轻战车的装甲只有6-12毫米厚。别说普通的炮弹了，就连普通的机枪子弹也抵挡不住，何况他们在面对的，是苏联人的BRS-82穿甲火箭。这款火箭虽然对付不了德军的4号坦克，但却能轻易地，穿入日军九五式坦克的装甲。
两军的坦克还没交火，日军那边就已经损失了15辆九五式轻型坦克，还有4辆九七式中型坦克，都是被战斗机发射的火箭弹所击毁的。
交上火的时候，日军只剩下71辆坦克。他们要面对的，是坦克数量比自己多三倍的苏联坦克集群。
在7平方公里的战场上，数百辆各型战车相互厮杀。战场上，炮声隆隆，火光冲天，烟尘弥漫，亚洲史上第一次大规模坦克会战正式开始。
苏军的T－28、T－26、T－130、BT－6、BT－7坦克和BA－6、BA－10装甲车等各型现役战车相互配合，简直把诺门罕当成了新武器实验场，打得日军八九式坦克、九五式坦克既无招架之功，更无还手之力，很快就被打成一堆堆冒着黑烟的钢铁垃圾。
后面的日军步兵，面对着三百辆涂着红星标志的钢铁怪兽，还有天空中那几十架涂着红星标志的飞机，几乎什么都做不了。也只能待在后面，眼睁睁地看着自己的坦克一辆又一辆地被击毁，看着这支被誉为“日本国宝”的部队被轻易瓦解。
在不到半小时的交战后，鬼子的坦克都已经被炸得七七八八，朱可夫下了命令，叫红军战士们走出战壕，向进攻的日军的3个步兵联队发起反攻。
冲锋前，为了增强士气，苏军阵地上的唱碟机开始播起了曼图洛夫的剽窃作品，苏联未来的国歌——《牢不可破的联盟》
“伟大俄罗斯，永久的联盟；
独立共和国，自由结合成。
……
苏维埃红旗，人民的红旗，
从胜利引向胜利！
战争中成长，我们的红军，
敌人来侵略，就消灭干净。
……
苏维埃红旗，人民的红旗，
从胜利引向胜利！”
这首振奋人心的歌曲，对激励苏军士气起了很大的作用，苏军战士们，个个争先恐后地，向日本鬼子发起了冲锋。正如歌词所说，这支红军在战争中成长，当敌人来侵略时候，势要把敌人消灭干净！
歌曲播完后，取而代之的，是整齐的“乌拉”声。朱可夫一声令下，数千名红军士兵拿着AVS-36自动步枪和DP轻机枪，在坦克的掩护下，如潮水般地往日军步兵联队冲去。
鬼子的步兵联队尝试顽抗，但面对着两百多辆苏军坦克，还有数千名配备了连发武器的苏军士兵，在没有掩体的情况下，根本毫无招架之力。
双方又打了半个小时，苏联红军迅速推进，日军节节败退，最后只能在日方炮火的掩护下，狼狈地逃回了哈拉哈河东岸的日军阵地里。
由于前方日军炮火太过猛烈，而且阵地上还有兵力近万的日军预备队。朱可夫见日本阵地上的兵力太多，防御工事太坚固，而且掩护撤退的炮火太猛，在苏军推进到哈拉哈河岸边的时候，就停止了进攻。
到了最后，这场亚洲史上最大的坦克混战以苏军的胜利告终，日本唯一的，被誉为“国宝”的日军第一坦克师团几乎被全歼（第4坦克旅团没参加战斗），日军步兵也伤亡了两千余人；而苏军方面也损失了17辆坦克，伤亡四百余人。
在当天的战斗里，日军从正面进攻苏军阵地、从北面偷袭巴英查岗山的意图均告失败。
到了晚上，第1战车师团第4旅团在指挥官玉田大佐利率领下，利用大雨夜袭苏军第36摩托化步兵师的炮兵阵地。但苏军早有准备，又对进攻的日军发起类似的反攻，还顺势把第4坦克旅团给吃掉，第一坦克师团被全部歼灭。
结果，小松原道太郎的进攻计划彻底失败，遭到重创的日本关东军被迫停止进攻，进行战略整顿，为新的进攻做新的准备。
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