8月20日2：45，苏军前锋部队接到了进入攻击阵地的命令。5:45，随着朱可夫一声令下，苏军数百门大炮对日军的前沿阵地开始了地毯式的猛烈轰炸，日军绵延40公里的前沿阵地刹那间笼罩在一片浓烈的烟火之中。先前已暴露炮位的日军高射炮阵地首当其冲，顷刻之间所有的防空指挥部、高射炮、高射机枪全都飞向天空，为之后的大规模空袭扫清了障碍。

随着空中巨大的轰鸣声越来越近，由150架轰炸机和100架战斗机组成的庞大机群遮盖了天空，丨炸丨弹如冰雹般地从天而降，由小到大，很快在地面上腾起阵阵烟雾。护航的战斗机由于没有战斗任务也开始对着日军的阵地来回扫射，一个个忙的是不亦乐乎。8:15，苏军的各型火炮又进行了新一轮的攻击。8:30，第二波空袭再次展开。炸的日军头都抬不起来，连喘气的机会都没有。

三个小时的炮火准备之后，日军前沿的火炮阵地观测所、通讯站等固定军事没施全部从地面上消失。8:45分，总攻的信号弹升上了天空，苏军南、北、中三个攻击集群倾巢而出，在强大的炮火支援下向日军的防线发起了全线进攻。

尽管刚刚淋了几番的丨炸丨弹雨，构筑在旷野上的土木结构工事已经被炮火扫平，但是顽强的日军仍然依托单兵用工兵铁锹挖成的简易单兵掩体誓死抵抗。苏军的坦克装甲部队根本不理会那些用轻武器射击的日军步兵，——那是留给炮兵、步兵的后续大餐，它们分开南北两翼，专挑没有高地依托、松软沙土地上的散兵线冲过去。这些地方本来就属于警戒阵地，防守力量非常薄弱，所以苏军南北两路坦克装甲部队很快便撕开了日军的防线，直插后方。

经过第一天的战斗，苏军成功实现了分割包围日军前沿各作战单位的战略意图。一座座的高地在短短的时间里变成了一座座无助的孤岛，守在上面的日军很快就成为了外无增援、内无粮草的孤军。

8月21日，苏军的两路坦克装甲部队已经在敌后胜利会师。前沿日军部队全部陷入苏军坦克部队的包围之中。为了彻底切断日军的补给，朱可夫使出了釜底抽薪的阴毒一招。派出总预备队第203空降旅乘隙空降甘珠尔庙，一举摧毁了位于该地的日军后勤基地。这一招可谓一下子打在了日军的命门上，前线日军陷入了弹尽粮绝的极端困境。连隐藏在十公里外的日军重炮部队也因无炮弹可用只能无可奈何地作壁上观。

关东军司令官植田大将得知第六军大部队陷入苏军包围的消息后大惊失色，急忙召集参谋人员研究如何调派兵力增援诺门罕前线。一群作战参谋的研究结论是：以日军目前的机动能力，即使立即下令增援部队出发，离前线最近的部队至少也要一个星期才能到达诺门罕。远的最少要半个月，可谓远水解不了近渴。在补给完全断绝的情况下，要求第六军坚持战斗一个星期无疑是不现实的。这帮参谋竟然还撺掇植田司令官，提出改变前线被动局面的最好办法就是用更加坚决的进攻打开敌军的合围。已经束手无策的的植田只好电令荻州立兵决不能坐以待毙，要尽快从被包围的部队中抽调尽可能多的部队组成反击兵团，重点攻打南路的苏军，力图打破敌人的包围。

要说荻州这军长我也能当，他将抽调兵力执行反攻任务的命令原封不动地批发给了小松原。接到命令的前线日军部队一片哗然。一线部队白天作战夜晚抢修工事，一天多来缺吃少喝伤亡惨重，活着的也早已疲惫不堪。如果凭借现有的坚固工事死守，或许还可以多支撑几天。现在上司要求大家离开工事向苏军坦克装甲车发起冲锋，无异于以卵击石，只会加速部队的灭亡。

计划抽调的部队共有十四个步兵大队，总数约15000人。因为大内参谋长阵亡，原来的第71联队联队长冈本德三大佐刚刚接任参谋长职务。之后接任的联队长长野荣二大佐又在战斗中身负重伤，继任联队长就换成了森田彻大佐。森田彻开始向老联队长诉苦，说你的老部下就剩下1800人了，如果再抽调两个大队去参加反攻部队，剩下的仨核桃俩枣肯定守不住现有阵地，而参加反攻的部队恐怕冲不了多远也会全部“玉碎”。冈本如今所处的位置已经不一样，他对森田彻的唱衰甚为反感，立即斩钉截铁地回答：“为了帝国皇军的荣誉，即使全体玉碎也要进攻，哪怕是前进两三米也好。”

森田范正少将也向冈本参谋长发出了类似的质问。参谋长的答复是，“司令官命令进攻，那就得进攻下去”。森田少将愤慨地反问，“官兵都死光了，拿什么进攻？”

尽管费尽了千辛万苦，十四个大队还是临时拼凑出来了。不过这十四个大队经过第一天的激战损失严重，没有一个大队是满编的。反击部队被分成左、右两翼。左翼以23师团第72联队和64联队的一部为主力，还有原独立野战炮第13联队的官兵。这些炮兵的火炮已经基本上被摧毁，剩下的几门炮也因为没有炮弹成了摆设，完全失去了炮兵的作用，现在只能当步兵使用了。这一路由23师团步兵旅团长小林恒一少将指挥。右翼部队以23师团第71联队和第7师团26、28联队为主力，由第7师团步兵旅团长森田范正少将指挥。第六军参谋长藤本铁雄少将也亲自赶到现场督战。