Операция стартовала в 6:15 с масштабного авиационного налёта — в воздух подняли 153 бомбардировщика в сопровождении 100 истребителей. Затем по позициям противника ударила мощная артиллерия из 200 орудий, после чего последовал второй авианалёт силами 45 бомбардировщиков. В 9 часов утра в бой пошли сухопутные подразделения.

В первый день наступления советско-монгольские войска действовали строго по плану. Единственная заминка произошла при переправе танков 6-й танковой бригады через реку Халхин-Гол — наведённый сапёрами понтонный мост не выдержал тяжести техники.

Наступление стало полной неожиданностью для командования 6-й японской армии. В первый день противник не смог определить направление главного удара и не оказал поддержки своим войскам на флангах. Наиболее упорное сопротивление японцы оказали в центре, где у них были хорошо укреплённые инженерные сооружения — там советским частям удалось продвинуться всего на 500–1000 метров.

Командир взвода разведки Николай Богданов позже вспоминал: «Это был отличный урок для самураев. И они его усвоили. Когда фрицы стояли под Москвой, Япония так и не рискнула выдвинуться на помощь союзнику. Очевидно, свежи были воспоминания о разгроме».