苏军在7月10日完成兵力集结和装备弹药的补充，发起了规模空前的总攻，遭到日军的顽强阻击，各部轮番上阵受阻于宽大的反坦克雷区、壕沟，成为日军速射炮、高射机枪、高射炮的靶子，日军集中了四个飞行团200多架飞机与苏军四个战斗机团两个轰炸机团斗得旗鼓相当，两个重炮联队数量虽少精度极高，让苏军的500门身管火炮无法实现阵地覆盖，23师团、第2师团坚守阵地六天予苏军极大杀伤，战场异常残酷、胶着。
7月13日夜，沉寂很久的日本特战部队再次出击，桑贝子、塔木察格布拉格的后勤基地、野战机场受到猛烈攻击，数千吨弹药、油料被毁，一百余架飞机被摧毁、近百架丢失，移往温都尔汗组织物质运输的蒙古人民军总部被袭，人民党主要成员人民军总司令乔巴山元帅、人民委员会主席阿南德.阿玛尔、蒙古人民军副总司令勒霍格瓦苏仑上将、蒙古军苏联顾问团长阿福宁上校等遇害，白俄罗斯调去的斯穆什克维奇等五十多名飞行员在地面牺牲。
7月15日前线进攻部队出现油料弹药紧张局面，而后方运输线路始终难以打通。日军再次发动细菌战，前线部队出现严重腹泻等恶性传染病，造成大量非战斗减员。
7月16日夜，日军发起反攻，一百五十多门火炮倾泻出数百吨炮弹炸乱了苏军建制吸引了苏军注意力，秘密过河的战车师团吉丸清武大佐的第三坦克联队、玉田美郎第四坦克联队、国崎登中将第七师团从两翼迅猛突击，冲破野战进攻中的苏军薄弱防线。
混乱的苏军部队被两面迂回的部队冲成数段，正面防守的第二师团也投入进攻，缺油少弹的苏军被迫后撤，集团军司令部撤退有些迟缓与敌装甲部队遭遇，被冲散包围，朱可夫司令员、政治委员尼基舍夫中将、集团军副司令波塔波夫中将、政治部主任戈洛霍夫少将、参谋长库谢夫少将、后勤部长巴比丘克少将等英勇战斗却因敌众我寡先后阵亡。
派驻蒙古协调作战的总参谋部通讯主任列昂诺夫上将、炮兵主任沃罗诺夫大将、装甲兵主任巴普洛夫大将、工程兵主任库里克中将、航空兵主任鲍尔吉金少将此时也在前线观摩指导，在转移途中遭遇地雷阵和特战队埋伏，被步枪、机枪、掷弹筒打击下不幸战死。
被朱可夫分成三个攻击集群的雅科夫列夫少将11坦克旅、列索唯依上校摩托化装甲第7旅、瑟切夫少将摩托化装甲第9旅、加拉宁少将57师、费久宁斯基少将82步兵师、列米佐夫少将摩步36师、斯塔佛斯基少将152师等部队被冲散各自突围失去联系。
天明后日军出动飞机轰炸前线机场，掩护装甲兵、步兵发起全线追击，缺乏有效组织的苏军部队已经全线崩溃、失去建制向西溃逃，很多人在戈壁地带迷失方向，两万余人被俘，重装备全部遗弃，敌坦克部队、航空兵部队进占塔木察格布拉格转入补充休整。
急剧的战场变化出乎所有人的预料，斯大林得知噩耗异常震惊，十万人的部队五百多辆坦克、四百多门重炮、五六百架飞机，调动18000多吨物资一直占据着上风一夜间落了个惨败！日本军队竟有这么强的战斗力？是朱可夫无能还是日军有名将坐镇指挥？
猜是没用的，德国、英国、美国的战地记者已经发回消息，日军利用强大装甲集团成功逆转是不可争辩的事实，刊登出大量战场照片，开始分析这一新战法对未来军事变革的影响。
丢了脸就要迅速找回来，斯大林又惊又怒却激发起斗志，命令总参谋长铁木辛哥大将赶往远东了解战场实际情况，组织溃散部队在温都尔汗重新集结，要求远东部队派出救援部队阻挡日军的进攻，请中国共产党派出陈海松将军前来战区协助指挥作战。
延安接到电报，对苏军的遭遇表示同情，愿意为苏联的正义事业提供一切援助和各种支持。不过陈海松是中国第三战区司令长官，归属最高军事委员会管理，必须通过军委会调动，建议苏联政府直接同中国政府洽谈，只要政府一声令下他肯定会在第一时间里赶到。
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