刚过河的第23师团司令部也险象环生，殿后的预备队——第7师团第26联队被侧翼包抄过来的蒙军装甲营死死地缠住，36辆BA-10装甲车始终与日军保持一定的距离，不让“肉弹”有机可乘，打得第26联队几千人进退两难。一个协同作战的苏军坦克连则直扑日军指挥部，坦克炮弹纷纷在其周围爆炸，第23师团参谋长大内孜大佐中弹阵亡。小松原此刻手中无一兵一卒，望着快速逼近的坦克，十几个军官绝望地拔出了东洋刀准备剖腹。幸亏一个刚刚抢渡过河的速射炮中队赶到了，救了小松原一命。日军七手八脚地架好火炮，仓促开火，由于双方距离已非常近，两辆苏军T-26坦克被击中冒出了火焰，其他几辆坦克因情况不明退了下去。小松原亲眼目睹了这场短促的反坦克战，短短的7分钟，虽击退了苏军坦克连的进攻，但速射炮中队只活下来6个人，剩下1门炮。由于吓破了胆的日军工兵提前炸毁了哈拉哈河上的浮桥，使不少日本兵掉进河里喂了鱼，就在溃败的日本步兵被苏军坦克轰得头破血流之际。哈拉哈河西岸的苏军152毫米口径火炮也开始轰击，大量炮弹发出令人恐惧的呼啸声，暴风骤雨般砸在了日军队伍中，很多日军官兵被炸得血肉横飞、命丧黄泉。从此关于苏军大炮的种种传说在关东军中不胫而走，连伪满皇帝傅仪也知道苏联大炮的射程比日军的远多了。

7月3日晚，第4坦克联队利用大雨掩护和苏军的麻痹，奔袭苏军第36摩步师重炮阵地侥幸得手。从战术意义上看，这是一次成功的奇袭，这也是日军坦克部队在整个诺门罕战争中惟一的一次胜利。

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第1师团(坦克第3、4联队)，不足10平方公里的狭小战场上顿时炮声隆隆，火光冲天，烟尘弥漫，苏军第11坦克旅和第7装甲旅从结束战斗的巴因查岗杀到河东岸与安岗支队的第1坦克师进行了一场坦克大会战。由于日本89式坦克装甲薄，火炮口径小，吨位小，结果被苏联T-26坦克、T-28坦克不断击毁，变成了一堆堆冒着黑烟的钢铁垃圾。日军坦克经此战后畏苏军坦克如虎，再也没和苏军坦克正面交手。7月4日午后，日军坦克第3联队遭到苏军大口径火炮的急袭，13辆坦克和大量辅助车辆被击中燃烧。装甲板的温度达到了1000摄氏度以上，包括联队长吉丸清武步兵大佐在内的很多坦克兵在坦克里被活活烤熟烧焦。关东军司令官植田谦吉在得知安岗支队损失惨重后大为震惊，于是下令安岗支队撤出战场，日军寄予厚望的第一次攻势宣告失败。一个侥幸活命的日本军官在战后发表了很无奈的看法：我(日)军的坦克炮管就象男孩子的YJ，只能微微勃起而已，苏军坦克的炮管却象真正的男人般。

在正面鏖战的同时，关东军航空兵第2飞行集团发动了苏军重要基地塔木斯克机场的突袭，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。6月27日上午3时，119架(司令部侦察机12架、重轰炸机24架、轻轰炸机6架、战斗机77架)日机由海拉尔机场起飞，飞向西南方向的目标。6时20分，日军蝗虫般的机群到达塔木察格布拉格机场上空，并疯狂地向机场上来不及疏散的苏军战斗机投弹、扫射，整个机场顿时黑烟覆盖。由于苏军未曾预料到日军敢越境空袭，防范不严，结果损失惨重。日军作战部队向关东军司令部报告击落苏机99架，击毁地面飞机25架。

由于苏军前线飞机损失大半，一时丧失了制空权。不过，根据朱可夫的请求，苏军调来包括TB3在内的大量飞机和不少参加过西班牙内战及援华空战的精锐飞行员后，才逐步扭转不利局面。空战中苏军在战机上安装了才研制出的秘密武器---火箭弹，结果使用效果奇佳。多架日机被火箭弹打得凌空爆炸，人类空战中首次使用的这种武器给日军飞行员造成了极大的压力。

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1173人因病因不明死亡，关东军搬起石头砸了自己的脚。