Поскольку события на земле разворачивались не в пользу японской стороны, командование Квантунской армии приняло решение нанести несколько ударов по целям, расположенным глубоко на территории противника. 27 июня 104 самолета из 2-го Хикодана нанесли бомбовый удар по монгольской базе в Тамсак- Булак. Пока японские бомбовозы бомбили аэродром, в небо поднялось несколько десятков советских истребителей. В течение 30 минут в небе над Тамсак-Булаком шло сражение, в котором с обоих сторон участвовало более 150 самолетов. Отбомбившись, японцы вернулись на базу, потеряв два истребителя и три бомбардировщика. Однако только один бомбардировщик совершил вынужденную посадку на территории Монголии, а другой бомбардировщик, приземлившись поблизости, подобрал экипаж!
На протяжении июля напряженность в небе не уменьшилась, а наоборот возросла. Однако советские И-153 явно уступали японским Ки-27, поэтому несли потери. Советскому командованию становилось ясно, что эра бипланов окончательно ушла в прошлое. Тогда русские изменили тактику и начали проводить рейды группами И-16, причем пилоты получили указание не вступать в бой с Ки-27. Кроме того, в части начали поступать новые модификации И-16 (Тип 12 и 17), вооруженные 20-мм пушками ШВАК и оборудованные бронеспинкой кресла пилота.
В августе 1939 года японцы с удивлением обнаружили, что им удается сбивать все меньше и меньше советских самолетов, в то время как собственные потери неуклонно росли. Японское командование быстро определило, что причиной этого стала новая тактика советских пилотов. Кроме того, японские пилоты, совершавшие в день до четырех боевых вылетов и более были на грани полного физического истощения. Сухопутные войска японцев также были изрядно потрепаны в непрерывных боях. Поэтому стремясь спасти все, что еще было можно, Япония предложила Советскому Союзу заключить перемирие. Сталин, который в это время был больше озабочен проблемой оккупации Польши, охотно принял предложение японской стороны. Однако пока политики вели переговоры, летчики продолжали сражаться. Последнее крупное сражение имело место 15 сентября 1939 года. С японской стороны в нем участвовали самолеты из 1-го, 11- го, 24-го, 59-го и 64-го Сентаев. На следующий день перемирие было подписано и обе стороны прекратили огонь.
Как русские, так и японцы старались приумножить свои победы и приуменьшить свои потери. Например, советская сторона полагала, что уничтожила 650 японских самолетов (в действительности Япония потеряла 162 машины), а японцы утверждали, что им удалось сбить 1162 самолета противника в воздухе и еще 98 уничтожить на земле (действительные потери Советского Союза – 207 самолетов). Лучший японский ас – фельдфебель Хиромичи Синохара – заявил 58 воздушных побед, в то время как лучший советский летчик – майор Сергей Иванович Г'рицевец из 70-го ИАП записал на свой боевой счет более 40 японских самолетов.