В период с 22 по 26 мая в Тамацк-Булак перебазировался вооруженный самолетами И-15 и И-16 22-й истребительный авиаполк. Немногим ранее этот полк перебросили на Дальний Восток из-под Брянска. Командный состав полка сильно пострадал от репрессий. Большинству офицеров полка, включая всех командиров эскадрилий, пришлось совершить вынужденную «посадку». Подчиненным «врагов народа» на деле следовало доказать свою верность светлому делу Маркса-Ленина-Сталина, но ослабленный полк оказался небоеспособным, что выяснилось уже при первой встрече с японцами. 27 мая восемь И-16 из 1-й эскадрильи 22-го полка сошлись в бою с японскими истребителями «тип 97». Четыре И-16 на аэродром не вернулись по официальной версии из-за отказов двигателей, еще два перевернулись на посадке. Двое летчиков погибло. На следующий день на боевое задание ушли И-15 из 4-й эскадрильи, домой не вернулся ни один самолет! Москва отреагировала немедленно: 29 мая с Центрального аэродрома взлетели три камуфлированных Дугласа, борту которых находились опытные летчики-истребители во главе с заместителем командующего ВВС РККА Яковом Смушкевичем. Поездом на Дальний Восток отправили еще одну группу асов — ветеранов воздушных боев в Испании и Китае. На Халхин-Голе назревала настоящая воздушная война, равной которой еще не было в истории авиации.
Крупнейший воздушный бой состоялся 22 июня 1939 г. В нем принимали участие примерно 120 японских самолетов и 95 советских истребителей. Сражение развернулось на высоте 2000–4000 м и длилось два с половиной часа. Бой завершился триумфом советских летчиков: из 42 сбитых в схватке самолетов 31 был японским!
На следующий день произошло еще несколько крупных воздушных боев, в которых потери понесли обе стороны. Противники в пропагандистских целях сильно занижали потери собственные и, наоборот, завышали потери другой стороны. Спустя несколько десятилетий установить истинную картину вряд ли удастся. Наземное сражение завершилось в августе блистательным окружением японской группировки. Операцию разработал и провел малоизвестный тогда комбриг Жуков. Бои в воздухе продолжались до 15 сентября. Результаты боев удовлетворили командование ВВС РККА.
В небе Монголии впервые в истории мировой авиации советские летчики применили ракеты класса воздух-воздух. 20 августа 1933 г. пятерка И-16 над Хамар-Дабой атаковала реактивными снарядами РС-82 группу японских бомбардировщиков, которые прикрывали истребители «тип 97». Результаты атаки оказались более чем впечатляющими: два японских истребителя сбито, строй остальных самолетов полностью развален, бомбардировщики спешно освободились от груза и повернули на обратный курс.