153 бомбардировщика СБ должны были нанести удар до артиллерийской подготовки по ближайшим резервам и по главной полосе обороны, а также по району Джин-Джин-Сумэ на маньчжурской территории. 90 бомбардировщиков должны были бомбить опорные пункты в долине Хайластын-Гола. Истребители прикрывали действия бомбардировщиков, а также должны были действовать против подходящих резервов противника. Продолжительность артиллерийской подготовки определялась в 2 часа 45 минут. В резерве оставалась 212-я авиадесантная бригада, 9-я мотоброневая бригада и танковый батальон 6-й танковой бригады (51).

Командный пункт армейской группы на горе Хамир-Даба был оборудован по всем правилам инженерного искусства: солидные, в несколько накатов блиндажи, оборудованные надёжной связью с войсками на восточном берегу, а при необходимости с Улан-Батором и Москвой, глубокие ходы сообщения, ведущие к специальным окопам с установленными там сильными оптическими приборами, дающими возможность внимательно наблюдать за ходом боя. На командном пункте Жуков, Штерн, начальник артиллерии Красной Армии комкор Н.Н. Воронов, заместитель начальника ВВС комкор Я.В. Смушкевич, заместитель главкома МНРА корпусный комиссар Ж. Лхагвасурен. Все с нетерпением поглядывают на часы, ожидая начала операции.

К наступлению готовы стрелковые и кавалерийские дивизии, танковые и мотоброневые бригады, артиллерийские части. На аэродромах подготовилась к вылету истребительная и бомбардировочная авиация.

В пять часов, несмотря на то что туман над аэродромами ещё не рассеялся, истребители и бомбардировщики получили команду на взлёт. В 5 часов 15 минут над позициями противника появились эскадрильи пушечных истребителей И-16 и группа бомбардировщиков СБ. Нервы у японских зенитчиков не выдержали, и они начали стрельбу, раскрыв расположение своих батарей. Этого и ждали советские артиллеристы, открыв огонь по японским зенитным батареям. Сверху на них обрушились бомбовые и штурмовые удары. Противовоздушная оборона противника была деморализована и почти полностью подавлена. И тогда в воздухе появились 150 советских бомбардировщиков с максимальной бомбовой нагрузкой. Эскадрилья за эскадрильей пролетали они над японскими позициями, сбрасывая бомбовой груз на окопы, артиллерийские позиции и узлы обороны. Выше их в воздухе кружились, прикрывая бомбардировщики, 150 истребителей.

30 минут на земле рвались бомбы, и стояла стена огня и дыма. Смушкевич, по приказу Жукова, собрал в один кулак и бросил в бой все имевшиеся у него бомбардировщики. Удар был внезапным и сокрушительным. Кроме истребителей, прикрывавших бомбардировщики в воздухе, на аэродромах на случай появления в небе японских самолётов находились в полной боевой готовности ещё два истребительных полка. Но для японской авиации массированный налёт был полной неожиданностью, и никакого противодействия она оказать не смогла. Превосходство в воздухе было на стороне советской авиации.

В 6 часов 15 минут началась артиллерийская подготовка. Два с половиной часа батареи обстреливали огневые точки, окопы, подавляли артиллерию противника. За это время эскадрильи бомбардировщиков вернулись на свои аэродромы. После осмотра машин, заправки их горючим и бомбами они снова поднялись в воздух. Повторный бомбовый удар наносили девять эскадрилий бомбардировщиков. Сверху их прикрывал от налётов японских истребителей 70-й истребительный полк.

До начала атаки оставалось 15 минут. Батареи перенесли огонь на передний край обороны противника. 15 минут длился мощный огневой налёт с максимальным темпом стрельбы из орудий всех калибров. И вот ровно в 9 часов сигнал атаки. Артиллерия переносит огонь в глубину обороны японских войск, отсекая резервы от обороняющегося первого эшелона. И на японские позиции ринулась пехота. Удар советско-монгольских войск был для противника до того внезапным, что в течение полутора часов он не смог сделать ни одного ответного артиллерийского выстрела.

Успешно наступали войска южной группы. На южном участке фронта в первый же день наметился успех, который повлиял на весь ход дальнейшей операции. 8-я кавалерийская дивизия совместно с полком 5-й кавалерийской дивизии нанесла удар по частям баргутской конницы, которая не выдержала его и была отброшена. Монгольские кавалеристы заняли линию государственной границы между высотами Эрис-Улайн-Обо и Хулат-Улайн-Обо. Эта линия протяжённостью 15 километров прочно удерживалась ими во время всей операции. Правый фланг, а затем и тыл войск южной группы был надёжно прикрыт от контрударов противника.

Отлично действовали полки 57-й стрелковой дивизии. К исходу первого дня операции они продвинулись, преодолевая упорное сопротивление противника, на 10–12 километров. Это был большой успех: японская пехота, особенно солдаты и унтер-офицеры, дралась фанатично, как правило, в плен не сдавалась, сражаясь до последнего патрона. Особенно отличилась 8-я мотоброневая бригада и 127-й полк дивизии, которым командовал майор Н.Ф. Грухин. В наградных документах этого командира о нём писалось: «Своим спокойным и умелым руководством он заслужил уважение начальствующего и рядового состава. Во время операции проявил исключительную храбрость. Полк, находясь на направлении главного удара, вынес на себе всю сложность и тяжесть по охвату фланга, блестяще выполнил свою задачу, завершив окружение противника с юга». Грухин погиб 28 августа, когда проводил личную разведку в расположении окружённых японских войск. Посмертно ему было присвоено звание Героя Советского Союза.

Части 57-й дивизии при поддержке артиллеристов разгромили несколько опорных пунктов противника в районе Больших Песков и продолжали продвигаться на север к государственной границе МНР. И только левофланговый 293-й стрелковый полк дивизии задержался в своём продвижении. Несмотря на поддержку танкового батальона 11-й танковой бригады, он не смог в первый день прорвать главную оборонительную позицию врага, на которой оборонялись батальоны 71 — го японского пехотного полка.

Войска южной группы смогли бы достигнуть и более существенных результатов в первый день наступления. Но батальоны 6-й танковой бригады, входившие в группу, задержались на переправе через Халхин-Гол. Весь день 20 августа был потрачен на переправу, и бригада вступила в бой только на следующий день.

Самые тяжёлые бои развернулись в первый же день операции на центральном участке фронта. Южнее Хайластын-Гола против перешедших в наступление 602-го и 603-го стрелковых полков 82-й дивизии оборонялись 28-й и 71-й японские пехотные полки. Основу обороны японских частей составляли сопка Песчаная и высота Зелёная. Сильно укреплённые, с окопами полного профиля, огневыми точками, артиллерийскими позициями и надёжными укрытиями, они представляли серьёзное препятствие для наступающих войск. Весь день советские полки вели упорные бои, но к исходу 20 августа смогли продвинуться только на 500—1000 метров, подойдя вплотную к этим узлам обороны. Севернее Хайластын-Гола в наступление перешла 5-я стрелково-пулемётная бригада и полки 36-й мотострелковой дивизии, которым противостояли три пехотных полка японской армии. Своими активными действиями они сковали противника, не дав ему возможности маневрировать силами. 24-й полк, при поддержке танкового батальона, начал наступление в юго-восточном направлении. Передовые огневые точки врага были уничтожены, и, пройдя с боями несколько километров, батальоны полка закрепились у подножия высоты, на которой был один из опорных узлов японской обороны.

Полки 6-й кавалерийской дивизии, переправившись утром 20 августа на восточный берег реки, нанесли удар по двум кавалерийским полкам баргутской конницы, которые, не выдержав удара, отошли за линию границы. Левый фланг северной группы войск был надёжно прикрыт. Боевые действия 6-й кавалерийской дивизии были отмечены 21 августа специальным приказом. За отличное выполнение поставленной задачи, проявленные отвагу и геройство командование армейской группы объявило благодарность всему личному составу дивизии.