Sự kiện bắt nguồn từ cuộc giao tranh nhỏ vào ngày 11 tháng 5 năm 1939. Một đơn vị kị binh Mông cổ gồm khoảng 70-90 người đi vào khu vực tranh chấp để đi tìm ngựa của họ. Bị một đơn vị kị binh Mãn Châu tấn công và buộc họ quay trở lại bờ kia sông Khalkhin Gol. Hai ngày sau, quân Mông Cổ phản công với lực lượng đông hơn hẳn và quân Mãn châu phải bỏ chạy.

Ngày 14, Thiếu tá Yaozo Azuma đưa trung đoàn trinh sát số 23, được hỗ trợ bởi trung đoàn số 64 trực thuộc sư đoàn cung tên dưới sự chỉ huy của đại tá Takemitsu Yamagata, vào vùng tranh chấp. Sau khi có quân Liên Xô tiếp viện, quân Mông Cổ tấn công quân Nhật song không thể đánh lùi quân đội Nhật. Tổ chức lại lực lượng, liên quân Liên Xô - Mông Cổ tiến hành bao vây và tiêu diệt quân đội Nhật vào 28 tháng 5. Quân Nhật chết 97 người, bị thương 33 người, chiếm 63% thương vong.

Vào ngày 27 tháng 6, quân Nhật bắt đầu những trận không kích. Lữ đoàn không quân số 2 của Nhật ném bom căn cứ không quân của Liên Xô tại Tamsak-Bulak, Mông Cổ. Quân Nhật giành phần thắng, số máy bay của Liên Xô bị phá hủy nhiều hơn hai lần số máy bay Nhật bị bắn hạ, song cuộc tấn công này do đạo quân Quan Đông tự ý tổ chức chứ không được Bộ chỉ huy quân đội Đế quốc Nhật Bản tại Tokyo cho phép. Ngay lập tức, Tokyo cấm Không quân Nhật Bản thực hiện thêm bất cứ cuộc không kích nào.[5]

Vào tháng 6, chỉ huy mới của Hồng Quân Liên Xô được điều động tới: Tư lệnh cấp sư đoàn (từ tháng 8 năm 1939, thăng lên Tư lệnh cấp quân đoàn) Georgi Zhukov[5]. Trong tháng 6, theo nhiều tài liệu và báo cáo, thì xung đột giữa hai bờ sông vẫn diễn ra. Cuối tháng 6, chỉ huy sư đoàn số 23 của Nhật, Trung tướng Komatsubara Michitarō, được phép "trục xuất bọn xâm lược". Quân Nhật đề ra kế hoạch tấn công theo hai hướng. Ba trung đoàn vào một nhóm, bao gồm ba trung đoàn từ sư đoàn số 23 - trung đoàn bộ binh 71 và 72, nhập vào một tiểu đoàn của trung đoàn bộ binh số 64; và trung đoàn bộ binh số 26 sẽ do Đại tá Shinichiro Sumi, "mượn từ" sư đoàn số 7, sẽ nhanh chóng vượt sông Khalkin Gol, tiêu diệt liên quân quân Liên Xô-Mông Cổ tại đồi Ba Anh Ca (Baintsagan) phía bờ Tây rồi rẽ ngoặt về phía trái, mau chóng đi về phía nam tới cầu Kawatama. Mũi thứ hai bao gồm trung đoàn tăng số 3 và 4, cộng thêm một phần của trung đoàn số 64, một tiểu đoàn của trung đoàn bộ binh số 28 được tách ra từ sư đoàn số 7, trung đoàn công binh số 24, và một tiểu đoàn của trung đoàn pháo binh số 13, do trung tướng Masaomi Yasukoa chỉ huy. Mũi tiến công này có nhiệm vụ tấn công quân Liên Xô tại bờ đông sông Khalkhyn Gol và phía nam sông Holsten. Hai mũi tiến công của quân Nhật sẽ gặp nhau tại hậu phương của quân Liên Xô và bao vây họ.

Mũi tiến công phía bắc vượt sông Khalkhyn Gol một cách dễ dàng, tập kích quân Liên Xô tại đồi Ba Anh Ca (Baintsagan), và mau chóng tiến về phía nam dọc theo bờ tây con sông. Tuy nhiên, tướng Zhukov nhận thấy được mối nguy hiểm, ông tổ chức phản công với 450 xe tăng và xe bọc thép. Lực lượng cơ giới của Liên Xô, dù không có bộ binh yểm trợ, vẫn tấn công quân Nhật và gần như bao vây được chúng, tiêu diệt toàn bộ xe tăng và gây tương vong cho hơn 100 tên địch[3]. Quân Nhật mũi phía bắc bị mất đường tiếp viện, do chỉ có duy nhất một chiếc cầu phao bắc qua sông để tiếp viện (và hầu hết kỹ sư cầu đường của Nhật được điều đi để tham gia Chiến tranh Trung-Nhật), và buộc phải đầu hàng, quay trở lại bờ bên kia vào 5 tháng 7. Trong lúc đó mũi tiến công của Nhật ở phía Nam bất thần tấn công vào đêm 2 tháng 7, để tránh pháo binh Liên Xô đang ở khu đất cao phía bờ tây sông Khalkhyn Gol. Tuy nhiên quân Nhật mất một nửa quân số của lực lượng cơ giới, và vẫn không phá vỡ nổi phòng tuyến của quân Liên Xô phía bờ tây cũng như không thể tới được cầu Kawatama.[6][7] Sau trận phản công của quân Liên Xô vào ngày 9 tháng 7, quân Nhật ở mũi tiến công độc lập này do Yasuoka chỉ huy bị xóa sổ.[8]

Quân đội hai bên tiếp tục giao tranh thêm hơn hai tuần nữa, dọc theo 4 km bờ phía đông của sông Khalkhyn Gol cho tới chỗ đổ vào sông Holsten.[9] Quân của Zhukov đã rời căn cứ 465 dặm nên ông phải thành lập đội xe vận tải để tiếp viện gồm 2600 chiếc, trong khi quân Nhật gặp phải vấn đề tiếp viện vì thiếu xe vận tải.[5] Ngày 23 tháng 7, quân Nhật mở một cuộc tấn công quy mô lớn, sử dụng hai sư đoàn số 64 và 72 để tấn công quân Liên Xô đang bảo vệ cầu Kawatama. Các đơn vị pháo binh Nhật pháo kích dồn dập vào các vị trí của Liên Xô nên một nửa chỗ đạn dự trữ đem theo hết chỉ trong 2 ngày.[10] Cuộc tấn công đạt một số kết quả, song quân Nhật không thể nào phá vỡ phòng tuyến của quân Liên Xô và không thể tới được cầu. Quân Nhật buộc phải ngừng tấn công vì thương vong quá nhiều và hết đạn pháo, và lâm vào thế "tiến thoái lưỡng nan".