Советско-монгольское командование разгадало замысел противника. 11-я танковая бригада, 7-я мотоброневая бригада и 24-й мотострелковый полк получили приказ — нанести контрудар по японцам, вышедшим в район горы Баин-Цаган.
3 июля, выполняя этот приказ, главные силы 11-й танковой бригады совместно с бронедивизионом монгольской 6-й кавалерийской дивизии с ходу атаковали врага с северо-запада, а 24-й мотострелковый полк, усиленный дивизионом артиллерии, предпринял атаку с запада, взаимодействуя с 11-й танковой бригадой. Удар был неожиданным для противника. Впоследствии японский офицер вспоминал: «…произошло страшное замешательство, лошади разбежались, таща за собой передки орудий, автомашины помчались во все стороны. Весь личный состав упал духом»[84]. В тот же день к 15 часам подошли главные силы 7-й мотоброневой бригады под командованием полковника А. Л. Лесового, наносившие удар с юга. Сюда же подтягивался броневой дивизион 8-й монгольской кавалерийской дивизии. Бой продолжался ночью и весь день 4 июля. Неоднократно предпринимавшиеся попытки противника перейти в контратаку и перебросить через реку новые части, были отбиты. Противник, охваченный с трех сторон, перешел к обороне, стремясь удержать в своих руках гору Баин-Цаган.
4 июля японцы даже попытались перейти в контратаку, поддержанную большими силами авиации. Но японские самолеты, встреченные советской авиацией, были вынуждены повернуть обратно. Под сильным огнем советской артиллерии контратака противника захлебнулась.
Вечером 4 июля советско-монгольские части предприняли общую атаку на гору Баин-Цаган.
К 3 часам 5 июля ожесточенное сопротивление врага было сломлено. Не выдержав натиска, особенно танков, противник в беспорядке устремился на правый берег реки Халхин-Гол. Единственный понтонный мост, наведенный японцами для переправы, был уже взорван ими. Охваченные паникой, японские войска бросались прямо в воду, многие — тонули. После кровопролитных боев японские войска, потеряв 5,5 тыс. убитыми и ранеными, вынуждены были отойти.
Поражение японцев у горы Баин-Цаган произвело гнетущее впечатление в Японии. Советник императора, крупный политический деятель Кидо записал в своем дневнике: «Армия в смятении. Все погибло»[85]. Оставшиеся японские войска, захватившие гору Баин-Цаган, были полностью уничтожены на восточных скатах горы и на западном берегу реки Халхин-Гол. Тысячи трупов, масса убитых лошадей, разбитые орудия, минометы, машины устилали гору Баин-Цаган. Старший унтер-офицер штаба 6-й армии Отани японского генерала Камацубара записал в своем дневнике: «Халх освещена луной… Картина ужасная. Говорят, что наши части окружены большим количеством танков противника и стоят перед лицом полного уничтожения».