Центральная группа в составе 36-й и 82-й стрелковых дивизий, 5-й стрелково-пулеметной бригады, двух артполков должна была фронтальными атаками сковать силы японцев. В резерве армейской группы оставались 9-я мотоброневая и 212-я авиадесантная бригады.
20 августа утром, в воскресенье, советско-монгольские войска перешли в наступление по всему фронту[95]. В 5 часов 45 минут 153 бомбардировщика, сопровождаемые истребителями, произвели массированный налет на передний край обороны японцев, на их ближайшие резервы и артиллерийские позиции. Атаке предшествовала мощная авиационная и артиллерийская подготовка, длившаяся 2 часа 45 минут. После окончания последнего огневого налета артиллерии по переднему краю обороны противника и 15-минутного удара авиации по его тылам под торжественные звуки «Интернационала», передаваемые звуковещательной походной станцией, началась атака пехоты, танков и конницы советско-монгольских войск.
Удар авиации и артиллерии советско-монгольских войск оказался настолько мощным и внезапным, что противник был морально и физически подавлен. В течение полутора часов его артиллерия не произвела ни одного выстрела, а авиация не сделала ни одного вылета.
В то время как войска центрального участка фронтальными атаками сковывали главные силы агрессора, южная и северная ударные группировки советско-монгольских войск прорвали вражескую оборону на флангах и стремительным глубоким охватом начали окружать противника. Постепенно враг начал приходить в себя и оказывать все более упорное сопротивление. Японское командование бросило против советско-монгольских войск большое количество танков, артиллерии и авиации. Под их прикрытием в контратаки все чаще стала переходить пехота и кавалерия. На всем фронте разгорелось ожесточенное сражение. Несмотря на отчаянное сопротивление противника, к исходу первого дня серьезный успех был достигнут на внешних флангах Южной и Северной групп, где кавалерийские соединения советско-монгольских войск разгромили части японо-маньчжурской кавалерии и овладели намеченными рубежами вдоль государственной границы.
21 августа стрелковые части Южной группы глубоко вклинились в основную оборонительную полосу противника, разгромили его ближайшие тактические резервы и захватили несколько артиллерийских позиций. Стремительными ударами они расчленяли оборону японцев на ряд узлов, терявших между собой связь, блокировали их и последовательно уничтожали. При этом большую роль сыграла советская артиллерия и огнеметные танки. Выдвигая на открытые позиции орудия всех калибров, в том числе и 152-миллиметровые, артиллеристы прямой наводкой с близких дистанций уничтожали огневые точки врага. Целями огнеметных танков являлись блиндажи и подземные укрытия, а пехота ручными гранатами и штыками довершала разгром противника.