7月4日，苏军将偷渡过河的关东军步兵主力击溃后，朱可夫将军开始腾出手来收拾正面的日军坦克，苏军两个坦克旅以压倒一切的气势冲入日军战车群中。在7平方公里的战场上，近千辆各型战车相互厮杀，炮声隆隆，火光冲天，烟尘弥漫，亚洲史上第一次大规模坦克会战开始了。苏军的T-28、T-26、T-130、BT-6、BT-7坦克和BA-6、BA-10装甲车等各型现役战车相互配合，简直把诺门罕当成了新武器实验场，打得日军八九式坦克既无招架之功，更无还手之力。日军坦克和装甲车，很快变成了一堆堆冒着黑烟的钢铁垃圾。此战之后，日军坦克部队基本瘫痪了。
朱可夫将军战后这样评价日军坦克部队：“坦克非常落后，基本战术动作也很呆板，死盯着迂回和侧击这一种办法，很容易被消灭。”
在正面鏖战的同时，关东军航空兵出动了三个旅团奔袭苏联的塔木斯克机场，这是亚洲空战史上第一次大机群成功突袭敌方机场，战术上达到了出奇制胜的效果。苏军前线飞机损失大半，一时丧失了制空权。不过，苏军新型的伊-16战斗机投入战斗后，很快夺回了制空权，苏联空军采用了当时世界上最先进的双机进攻队形，首日交锋便用火箭弹将6架日机打得凌空爆炸。苏联空军英雄斯克巴里欣甚至创造了正面撞毁敌机自己却安全降落的奇迹，给日军造成了极大的压力，多个王牌被陆续击落后，关东军的飞机更多时间是呆在地面上了。
这期间，日军还卑鄙地动用了石井部队(即臭名昭著的七三一细菌部队)，秘密向哈拉哈河投放了鼠疫、鼻疽等烈性传染病菌，由于苏蒙军的饮用水来自后方铺设的输水管，所幸没有大的伤亡，日军虽三令五申不准饮用河水，但还是有不少士兵在极度干渴下偷偷喝了河水，成了细菌战的牺牲品。战后日本关东军军医部统计，整个作战期间前线共有1300多人因病因不明死亡。
