随着朱可夫的命令下达，埋伏在两侧沙丘后的苏军坦克旅瞬间冲出。第6坦克旅的150辆BT-7快速坦克如同猛虎下山般，从北侧沙丘后冲出，沿着沙丘边缘快速推进，直扑旭日军坦克集群的侧翼；第10、24坦克旅的350辆T-34坦克则从南侧沙丘后冲出，分成两路，一路直击旭日军步兵阵型，一路迂回至旭日军坦克集群的后方，形成前后夹击之势。
苏军坦克的主炮疯狂开火，76毫米炮弹精准地击中旭日军八九式坦克的侧装甲——旭日军八九式坦克的装甲厚度仅为12-25毫米，根本无法抵御苏军坦克主炮的攻击，一辆辆坦克瞬间被炸毁，炮塔被掀飞数米高，燃起熊熊大火，坦克内的旭日军士兵被活活烧死，惨叫声不绝于耳。
与此同时，苏军机械化步兵师的士兵乘坐装甲车，向旭日军步兵发起冲锋。第201师的士兵手持波波沙冲锋枪，从装甲车中跃出，对着旭日军步兵猛烈扫射，子弹如同暴雨般倾泻而下，旭日军士兵纷纷倒地，鲜血染红了枯黄的草甸；第204师则配备了120毫米迫击炮，对着旭日军密集的步兵阵型发起炮击，炮弹在旭日军人群中爆炸，将士兵炸得粉身碎骨，残肢断臂飞溅四处，旭日军的步兵阵型瞬间被打乱，开始四处逃窜。
蒙军的两个骑兵师也在此时发起了攻击。第6骑兵师的骑兵们手持马刀，骑着骏马，如同离弦之箭般冲向日军的补给车队，马刀挥舞，旭日军补给兵人头落地，补给车辆被点燃，汽油桶爆炸的火光映红了半边天空；第8骑兵师则迂回至旭日军的通讯枢纽，用76毫米野战炮摧毁了旭日军的无线电通讯车，切断了旭日军前线与后方的联系，让旭日军陷入了群龙无首的混乱境地。
大内孜在指挥帐篷里得知苏军发起合围后，顿时大惊失色。
他猛地站起身，一把抓过高桥参谋手中的地图，目光死死盯着合围圈的位置，声音因恐慌而颤抖：“怎么可能？苏联人怎么会有这么多坦克？他们的主力不是在前沿防线吗？快！命令坦克集群掉头，突破苏军的合围圈！让独立野炮联队立即开火，掩护步兵撤退！第71联队担任后卫，阻挡苏军的进攻！”
然而，此时的旭日军已经陷入了苏军的重重包围之中，进退两难。旭日军坦克集群在狭窄的通道中无法展开阵型，只能被动挨打——南侧的苏军坦克从后方袭来，北侧的苏军坦克从侧翼突击，正面的苏军坦克则掉头反击。
旭日军坦克如同被围在铁桶中的困兽，一辆辆被炸毁，320辆八九式坦克在短短一个小时内就损失了200余辆，剩下的坦克只能各自为战，根本无法组织起有效的反击。
独立野炮第1联队试图掩护步兵撤退，但苏军的炮火很快就覆盖了他们的阵地。苏军的120毫米榴弹炮团对着旭日军的炮位发起猛烈炮击，炮弹精准地击中旭日军的野炮阵地，炮身被炸毁，炮手伤亡惨重，48门野炮在半小时内就被摧毁了35门，剩下的13门野炮也因缺乏弹药而无法开火，只能被苏军士兵缴获。
第23师团的步兵失去了坦克和炮火的掩护，在苏军和蒙军的联合进攻下，彻底陷入了绝境。
第64联队在北侧沙丘被苏军机械化步兵师包围，士兵们试图组织抵抗，但波波沙冲锋枪的火力太过猛烈，他们根本无法抬头，只能蜷缩在沙坑里，等待死亡的降临；第65联队在正面被苏军坦克集群夹击，士兵们被坦克碾压、被炮弹轰炸，伤亡殆尽；第71联队担任后卫，试图阻挡苏军的进攻，但蒙军的骑兵从侧翼袭来，马刀挥舞间，日军士兵纷纷倒地，联队长大岛大佐被蒙军士兵俘虏，剩余的士兵见大势已去，纷纷放下武器，举手投降。
中午十二时，朱可夫下令发起“纵深突击”，要求各部队突破旭日军的临时防御阵型，向旭日军内部发起进攻，彻底分割、围歼旭日军残余部队，并全力抓捕战俘。
苏军坦克旅分成多个小队，沿着旭日军的阵型间隙穿插，将旭日军分割成一个个孤立的小据点；机械化步兵师则逐个清理这些据点，对顽抗的旭日军士兵发起攻击，对放下武器的旭日军士兵则进行收容、看管；蒙军骑兵师则在旭日军后方展开地毯式搜索，抓捕溃散的旭日军士兵，防止他们逃脱。
在一处被包围的旭日军据点里，旭日军第64联队第2大队的300余名士兵正依托沙丘构筑临时工事，负隅顽抗。
苏军第201师的士兵多次发起冲锋，都被旭日军的机枪火力压制，伤亡惨重。师长瓦西里耶夫少将见状，下令调来两门120毫米榴弹炮，对着旭日军的工事发起炮击。
炮弹呼啸着击中沙丘，将旭日军的工事炸得粉碎，机枪火力点被摧毁。随后，苏军士兵手持波波沙冲锋枪，发起冲锋，冲进旭日军的据点。
旭日军士兵见工事被摧毁，纷纷挥舞着军刀，发起决死冲锋，但很快就被苏军士兵击毙。最后，只剩下大队长山田少佐和20余名士兵，他们见大势已去，放下了武器，举手投降。
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