На реке Халхин-Гол, в отличие от Хасана, японская авиация отнюдь не бездействовала, и первые же воздушные бои выявили ее превосходство над советской.
Части 57-го особого корпуса должна была прикрывать с воздуха 100-я авиабригада под командованием полковника Калинычева, в состав которой входили 70-й истребительный авиаполк (14 истребителей И-15бис и 24 "ишака" тип 5 и 6) и 150-й смешанный полк (29 СБ и 15 Р-5Ш). Бомбардировщики базировались на аэродромах в районе Баин-Тумена, более чем в 300 км от зоны конфликта, а истребители - на аэроузле Тамцаг-Булак, находящемся в 100 км от Халхин-Гола. Все машины, за исключением новеньких и недостаточно освоенных экипажами СБ, были сильно изношены, многие неисправны. То же самое можно сказать о личном составе бригады и ее командовании, изнывавших от безделья в монгольском захолустье: "безобразное руководство", низкая дисциплина, отсутствие регулярной боевой подготовки, летчики кое-как владели техникой одиночного пилотирования, но не умели летать в строю, плохо ориентировались на местности, не знали вероятного противника, "не имели навыков воздушной стрельбы".
В штабе корпуса полагали, что главным операционным направлением на театре является южно-гобийское, там оборудовались склады, была сосредоточена большая часть неприкосновенных запасов и автотранспорта. На халхингольском направлении никаких баз, узлов, линий связи, аэродромных площадок не готовили, расчетов по сосредоточению и развертыванию сил не производили. Честно говоря, ни один из красных командиров, даже и монгольских, в "неперспективном" районе Халхин-Гола никогда не бывал и с большим трудом мог отыскать его на карте. Кстати, когда понадобилось, и карты с трудом нашли. Все получилось, как в гайдаровском "Мальчише-Кибальчише": "Пришла беда, откуда не ждали, напал на нас проклятый буржуин".
Японцы, с той стороны границы, располагали двумя железными, сетью грунтовых дорог и оперативной авиагруппой полковника Козиро Мацумуро - 20 истребителей Ki-27 (получивших в СССР обозначение И-97), 6 бомбардировщиков Ki-30 и 6 разведчиков Ki-15. Самолеты дислоцировались на аэродроме маньчжурского города Хайлара, примерно в 160 км к северо-востоку от реки. Пилоты имели богатый опыт войны в Китае.
21 мая японцы сбили советский самолет Р-5, осуществлявший связь с 6-й монгольской кавалерийской дивизией. На следующий день над горой Хамар-Даба имело место первое столкновение в воздухе. С советской стороны в бою участвовали три истребителя И-16 и два И-15бис, со стороны японцев - пять истребителей. В завязавшейся схватке сгорел И-16 лейтенанта И.Т. Лысенко.
Обе стороны наращивали силы. К 26 мая из Забайкальского военного округа в район Тамцак-Булака перебросили 22-й истребительный авиаполк майора Глазыкина (63 истребителя И-15бис и более новые И-16 тип 10). Арифметически полк представлял собой внушительную силу с хорошей материальной частью, однако на уровне подготовки летчиков уже заметно сказывались негативные последствия кампании по борьбе с аварийностью: летчиков не обучали приемам воздушного боя "из-за боязни летных происшествий". Еще через несколько дней в Монголию прибыл 38-й скоростной бомбардировочный авиаполк под командованием капитана Артамонова (59 машин СБ). В ходе передислокации разбился один бомбардировщик и пропал без вести один истребитель.
Противник тоже получил подкрепление, 24 мая в Хайлар прилетели две эскадрильи Ki-27 (20 машин). К 27 мая японские воздушные силы состояли из 52 истребителей, шести разведчиков и шести бомбардировщиков. Им противостояли 203 краснозвездных боевых самолета: 99 истребителей, 88 скоростных бомбардировщиков и 16 "легких штурмовиков" Р-5Ш. Таким образом, советские ВВС обладали более чем тройным численным перевесом.
К этому времени в битву вступили наземные части советских войск, форсировавшие Халхин-Гол и закрепившиеся на восточном берегу.
27 мая эскадрилья И-16 22-го авиаполка под командованием старшего лейтенанта Черенкова в составе восьми самолетов перебазировалась на передовой аэродром у горы Хамар-Даба, имея задачей перехват самолетов противника. За день эскадрилья совершила четыре тревожных вылета. В первых трех противника обнаружить не удалось, но зато два пилота сожгли моторы своих машин и совершили вынужденную посадку. В четвертый раз шесть "ишаков" взлетели на перехват девятки Ki-27 и были беспощадно биты. После первой же атаки "сталинские соколы" обратились в бегство, а противник, сохраняя превышение, преследовал их до самого аэродрома и расстреливал после посадки. В итоге японцы, сами не имея потерь, уничтожили три и повредили два самолета. Два советских летчика погибли (в том числе командир эскадрильи), один был ранен.
На следующее утро, 28 мая, японцы нанесли удар по позициям советско-монгольских войск на плацдарме. Советская сторона такой пакости совершенно не ожидала: самолеты оказались не готовы к вылету, одни приказы отменяли другие, к линии фронта были направлены только три истребителя И-15, которые, как и следовало ожидать, обратно на базу не вернулись. Около 10 часов "на прикрытие наземных войск и уничтожение воздушного противника" вылетела десятка И-15бис комэска Балашова.
Над переправами через Халхин-Гол ее внезапно атаковали 18 Ki-27. В итоге шесть "ястребков" были сбиты, еще один, успевший сесть, был расстрелян и сожжен на земле. Четверо летчиков погибли в бою, один пропал без вести, двое были ранены, один пилот выпрыгнул с парашютом из горящего самолета. Враг снова ушел без потерь.
Командир корпуса комдив Фекленко доносил начальнику Генерального штаба РККА Шапошникову следующее:
"Прошу немедленно дать ответ, так как это связано с планированием боя 29 мая:
1. Авиация противника господствует в воздухе.
Западный берег р. Халхин-Гол совершенно открыт и не дает никакого маневра, за исключением района горы Дзук-Хан-Ула, где местность легко пересеченная.
3. Наша авиация не в состоянии прикрыть наземные войска до захвата переправы…
4. Удержать восточный берег р. Халхин-Гол можно, но с большими потерями от авиации противника.
5. Прошу с наступлением темноты отвести части на западный берег и оборонять его, проводя бомбежку противника… (с) задачей уничтожить живую силу противника".
Японский цельнометаллический истребитель-моноплан "Накадзима" Ki-27 (максимальная скорость 450 км/ч на 3500 м), вооруженный двумя 7,7-мм синхронными пулеметами, отличался великолепной маневренностью и скороподъемностью, сочетавшимися с высокой устойчивостью и легкостью управления, а их пилоты обладали отменной выучкой. Недостатком истребителя было слабоватое вооружение, отсутствие бронеспинки сиденья и протектирования бензобаков. Зато все японские машины были оборудованы радиоприемниками, а начиная с командира звена, - передатчиками. Управление советскими самолетами в воздухе осуществлялось по принципу "Делай, как я", истребители средств радиосвязи не имели, поскольку и в 1939 году на этот счет не сложилось единого мнения. НИИ ВВС настаивал на укомплектовании истребителей как связным, так и навигационным радиооборудованием, а, к примеру, геройский парень П.В. Рычагов предлагал снять с истребителей "лишние" приборы, чтобы они "не мешали" пилоту в воздухе. Естественно, что в воздушном бою управление группой терялось почти мгновенно, а ведущий превращался в рядового летчика. Наведение истребителей с земли осуществлялось путем выкладывания белых полотнищ в форме стрел, острием направленных в ту сторону, где был замечен воздушный противник (Заместитель начальника Штаба РККА С.А. Пугачев в сентябре 1925 года, докладывая об итогах маневров в трех военных округах, отмечал: "Особенно обращает внимание примитивность средств, применяемых для связи авиации с наземными войсками. В этом отношении Красная Армия значительно отстала от Западной Европы". За четырнадцать лет ничего не изменилось "в этом отношении". А комкору С.А. Пугачеву припомнили, что был он не просто заместителем, а заместителем "главы фашистского заговора" Тухачевского, "лакейски служившего капитализму". В октябре 1939 года Семена Андреевича приговорили к пятнадцати годам несвободы, где он и умер).
По свидетельству наших летчиков, Ki-27 "успешно боролся с И-16М-25 и запросто бил И-15".
Тактическая подготовка советских летных и командирских кадров оказалась не на высоте. К тому же "коварный враг" использовал свою авиацию большими группами, а командование ВВС 57-го особого корпуса поднимало в воздух от 3 до 10 машин. Всего за неделю 100-я авиабригада потеряла 16 истребителей, 1 штурмовик, 11 моторов и 10 летчиков. Кроме того, произошло 4 катастрофы, 9 аварий и 13 поломок самолетов. "Сталинские соколы" всухую проигрывали "императорским". Как откровенно говорилось в секретном "Описании боевых действий в Монголии": "Воздушные силы 57-го особого корпуса потерпели явное позорное поражение… японские бомбардировщики безнаказанно бомбили наши войска".
До середины июня советская авиация в районе Халхин-Гола не появлялась.
Обескураженное пренеприятными результатами, московское руководство приняло экстренные меры для усиления группировки ВВС в Монголии. В начале июня в Тамцак-Булак прибыла особая группа из 48 опытнейших летчиков и специалистов, прошедших боевую школу в Испании и Китае (почти наполовину состоявшая из Героев Советского Союза), во главе с заместителем начальника ВВС РККА комкором Я.В. Смушкевичем. Они немедленно занялись наведением порядка в частях, боевой подготовкой летчиков, организацией снабжения, подготовкой новых взлетно-посадочных площадок. Смушкевич принял командование авиацией. В командование всей советско-монгольской группировкой вступил комдив Г. К. Жуков.