В 2 часа ночи 3 июля передовые части ударной группы подошли к реке. Вначале японские войска переправлялись на лодках, плотах и даже вплавь. Потом японские сапёры навели понтонный мост, по которому на западный берег реки хлынул поток пехоты и боевой техники. К восьми часам утра переправа была закончена и японские войска начали продвижение к вершине Баин-Цагана. 15-й кавалерийский полк 6-й кавалерийской дивизии, прикрывавший этот участок, сразу же при появлении противника отошёл, дав возможность ему беспрепятственно переправляться, и даже не донёс об этом на командный пункт корпуса на горе Хамар-Даба. Не встречая сопротивления, противник быстро начал продвижение на юг, выходя на наши тылы.
Сообщение о переправе у Баин-Цагана было получено на командном пункте корпуса только на рассвете 3 июля и сразу же было передано в штаб корпуса. Тут же в эфир полетела радиограмма командира корпуса: «Танковой бригаде Яковлева, мотобронебригаде Лессового, полку Федюнинского и монгольскому бронедивизиону поднять части по тревоге и с ходу атаковать японцев, захвативших гору Баин-Цаган».
Соотношение сил в бою на Баин-Цагане по архивным данным было следующим: наши войска имели 1560 штыков, 1956 сабель (6-я кавалерийская дивизия) и 4414 бойцов и командиров других родов войск, 38 орудий, а также 182 танка и 154 бронемашины. Противник имел 6000 штыков, 250 сабель и 1320 бойцов и командиров других родов войск. Соотношение сил было примерно равным. Но противник имел 98 орудий полковой и дивизионной артиллерии и 50 противотанковых пушек. Танков и бронемашин на Баин-Цагане у него не было.
В семь часов утра 3 июля 9 машин 8-й мотоброневой бригады наскочили на авангардную колонну японцев, двигавшуюся от Баин-Цагана к югу, и атаковали её. Через некоторое время подошёл 2-й батальон 11-й танковой бригады, и с ходу врезался в колонну противника, расстреливая его из пулемётов и давя гусеницами. Противник был остановлен, он спешно начал окапываться, и к моменту подхода наших частей у него уже была организована серьёзная оборона. 2-му танковому батальону была поставлена задача — сковать противника совместно с 8-й мотоброневой бригадой и не допустить продвижения на юг. В это время 24-й мотострелковый полк и 11-я танковая бригада двигались в назначенные районы.
В 11 часов 3 июля к Баин-Цагану подошли батальоны 11-й танковой бригады и сразу же без подготовки после длительного марша с ходу атаковали японские позиции. Ждать, когда подойдёт мотопехота и провести совместную атаку времени не было. Командир корпуса взял на себя всю полноту ответственности за такое смелое решение. Уже после войны в 1950 г. в беседе с Константином Симоновым Жуков вспоминал о событиях 3 июля: «…Я принял решение атаковать японцев с ходу танковой бригадой Яковлева. Знал, что без поддержки пехоты она понесёт тяжёлые потери, но мы сознательно шли на это. Бригада была сильная, около 200 танков. Она развернулась и смело пошла. Понесла большие потери от огня японской артиллерии, но — повторяю — мы к этому были готовы. Около половины личного состава бригада потеряла убитыми и ранеными и половину машин. Но мы шли на это. Ещё большие потери понесли советские и монгольские бронечасти, которые поддерживали атаку танковой бригады. Танки горели на моих глазах. На одном из участков развернулись 36 танков, и вскоре 24 из них уже горели. Но зато мы полностью раздавили японскую дивизию».
Один батальон танковой бригады наносил удар с северо-запада, а второй, совместно с бронедивизионом 6-й монгольской кавалерийской дивизии, атаковал с запада, зажимая японские войска в стальное танковое полукольцо. Подразделения 24-го мотострелкового полка атаковали японцев с запада в 12 часов дня. Совместной атаки с танковыми батальонами не получилось. В 15 часов к Баин-Цагану подошли главные силы 7-й мотоброневой бригады и с ходу атаковали японские войска с юга. Ожесточённый бой продолжался целый день. В 19 часов советские части предприняли совместную атаку на японские позиции с трёх сторон: юга, запада и северо-запада. Однако японцам удалось отбить атаку.
