苏联远东空军在5月揭幕战中几乎完败。随着大批新型飞机的来到和飞行员整体素质的提高，苏联空军急于通过作战来一雪前耻。因此在地面战斗尚未展开之前，空中的战斗已率先打响。
6月22日，之前几乎畅通无阻的日军第二飞行集团便遭到了苏联空军的迎头痛击。日军的120架战机与苏军的150架战机在哈拉哈河上空狭路相逢。一场激烈的空战之后，哈拉哈河两岸到处都是被击落飞机的残骸。断断续续的战斗持续了整整三天，日军损失战机30架，苏联的损失大约是40架，战斗中，日军王牌飞行员森本重信大尉阵亡。
三天的空战虽然仅仅算和对手打成平手，但在此之前，苏联空军在诺门坎上空从未战胜过敌人，这一轮空战使得苏联空军重新树立了战胜对手的勇气和信心。苏联战斗机大队副大队长斯科巴里钦上尉在空战中表现尤为突出，他一人击落数架日机，战斗结束后立即被提升为大队长。
虽然并未在战斗中落败，但日军第二飞行集团还是感到了前所未有的压力。面对苏军迅速强大的空中力量，嵯峨彻二中将不禁焦急万分。他最害怕的就是打消耗战，日本航空队猛则猛矣，却后继乏力，飞机只能越打越少。日本国内有限的飞机制造能力使得前线几乎得不到及时的增补，飞行员的补充则更加困难。相反，苏联远东空军拥有数量上的绝对优势。由于有了斯大林的首肯，苏军出现的损失能够源源不断地得到及时补充，升空作战的飞机始终有增无减。第二飞行集团为此头疼不已，只好靠加大起飞频率来弥补飞机和飞行员的短缺，但兵力的调度依然是捉襟见肘，那些身经百战的飞行员更是疲于奔命。如果就这样和对方耗下去的话，第二飞行集团迟早会彻底丧失战斗力。
为了彻底解除苏军的空中威胁，第二飞行集团司令部大胆地拟订了一个对外蒙古重要机场塔木察格布拉格、桑贝斯、坦赫阿依拉等地实施空袭的作战计划，预定的攻击时间是6月30日。
突袭计划上报关东军司令部，以辻政信为首的一帮参谋们认为，之前，苏联空军已经越过边境进入伪满洲国境内，对阿尔山、甘珠尔庙和阿木古郎等地进行过攻击，属于不折不扣的越境攻击行为，日军这样的作战计划纯粹属于正当防卫、礼尚往来。不过他们也预计，东京那帮胆小如鼠的官僚们很可能不会批准这个作战计划，报来报去耽误的都是工夫，还不一定能批下来，干脆打了再说。辻政信、服部卓四郎一帮人就决定先斩后奏，现在的关键问题是要确保打赢，只要打赢了一切都好说，就像以前的九一八事变那样。
本来天衣无缝的计划还是走漏了风声。关东军内部也并非铁板一块，参谋部第四课课长片仓衷中佐从第一课课长寺田雅雄大佐那里得到了消息，趁着回东京出差的机会将这一消息透露给了自己的好友、陆军省军事课课长岩畔豪雄大佐。岩畔本来就不赞成将战事扩大，他立即汇报参谋本部，关东军正在谋划越境攻击，请立即采取措施加以制止。
参谋本部闻讯，大吃一惊。空袭外蒙古塔木察格布拉格机场属于典型的越境攻击，参谋次长中岛铁藏中将感到此举过于冒险，很可能会引起更大的外交纠纷，在军事上也面临更大的风险。当时在中国战场，双方已经进入相持阶段，战事的结束遥遥无期。此时在中国的中南部地区，围绕湖南长沙的一场会战即将打响，战役必然导致大量的物资消耗。这些物资很大部分是中国东北的工业基地生产的。中国东北与苏联、外蒙古的边境线长达3000多公里，如果苏联对此实施报复性空袭，对中国东北的工业基地威胁很大。对于苏联和外蒙古而言，日军战机的作战半径之内，几乎都属于不毛之地，就是想报复也找不到可炸的地儿。再说以苏联的经济实力，日本就是能报复也属于隔靴搔痒。
基于以上原因，中岛次长随即给关东军参谋长矶谷廉介中将发去电报，提出不能实施越境轰炸。矶谷参谋长很快就有了回电：关东军在上述问题上的看法和将要采取的手段与参谋本部有所差异，希望“贵部”将诺门坎战役的一切事务交给关东军自行处理。中岛纳闷，这到底谁能管住谁呀？无奈的中岛只好派出作战参谋有末次中佐直接到长春传达东京的旨意。
让中岛想不到的是，实际上给他发出那封电报的根本不是矶谷参谋长，而是关东军作战参谋辻政信。在这份电报的批准表上，课长、参谋长、军司令官几栏内签署的全是辻政信的大名。辻政信本来以为这样就算办妥了，但是听说参谋本部要派人来长春，就知道来了大麻烦，看来不汇报是不行了。
那份给参谋本部的回电尽管是辻政信擅自发出，但回电的内容却正合植田司令官和矶谷参谋长之意，于是大家就在一起策划应对之策。后边也有好消息传来，老天真是给面子，本来6月25日到达关东军司令部的有末次中佐，因天气出行计划推迟。
6月30日是第二飞行集团预定的远程轰炸时间。植田急忙指示嵯峨彻二，将攻击时间提前到有末中佐到来之前的6月27日。
同时关东军司令部指使自己的傀儡伪满洲国立即对外发出“严正声明”：“在之前短短五天的时间里，苏联和外蒙古空军多达十一次侵入我兴安北省境内诺门坎一带，炸死炸伤我民众多人，在我国的照会和多次声明下，他们的侵略行为不但没有收敛，而且变本加厉。为此，我军势必对其进行坚决还击。”
6月26日，有末中佐一行飞抵大连。和九一八事变之前的建川美次少将一样，在矶谷参谋长的亲自部署下，有末得到了十分殷勤的接待。接待人员拉着急着要去长春的有末，先是参观了大连市容，然后视察了旅顺基地，还安排了黄金山、老虎尾的景点精品路线游，还瞻仰了日俄战争的胜利纪念物——俄国旗舰的大铁锚，最后在白沙滩尽情地游了泳。晚餐是形容不出的美酒海鲜，晚饭后陪伴有末的还有几个妖艳的俄罗斯美女，简直令有末中佐神魂颠倒、流连忘返。快乐的时光总是那么短暂，一天很快过去了。
利用这一天的时间差，嵯峨彻二进行了最后的准备。飞行集团对外蒙古境内的各大军用机场进行反复侦察，把目标锁定在塔木察格布拉格空军基地。这个基地位于哈拉哈河以西约130公里，机场上停满了苏军的各型战机。
就在有末中佐风流快活之时，6月26日晚，海拉尔第二飞行集团司令部里秘密会议正在召开。午夜时分，嵯峨彻二中将发布了作战命令：6月27日清晨越境空袭，消灭敌军飞行基地的全部飞机。具体计划：第七飞行旅团旅团长宝藏寺少将率领重型轰炸机20架；第九飞行旅团旅团长下野少将率领重型轰炸机27架，轻型轰炸机10架；第十二飞行旅团旅团长东少将率领战斗机80架。总计137架飞机参加对塔木察格布拉格空军基地的越境轰炸。
6月27日凌晨4时，海拉尔机场和甘珠尔庙机场格外繁忙热闹，57架轰炸机和80架战斗机在黎明的微光中一架接一架腾空而起，30分钟后迅速在空中完成了菱形编队：第一组为战斗机群，第二组为重轰炸机群，第三组为轻轰炸机群，第四组仍为战斗机群。为避免被苏军发现，各机群始终保持3000米的飞行高度。黑压压的机群向着外蒙古境内的塔木察格布拉格机场猛扑过去。
早上6时左右，日军机群按预定时间准时抵达塔木察格布拉格上空。此刻的苏军正在晨操，只有防空哨兵的眼睛还在注视着远方的天空。这正是一天中机场警戒最薄弱的时刻，关东军对于攻击时刻的选择也确实是煞费苦心。
随着日军轰炸机的俯冲投弹，空袭警报声和爆炸声震惊了这片宁静的大地。停机坪上一架接一架的苏军飞机相继中弹起火燃烧，机场弹药库中弹引起连环爆炸。苏军的防空火炮向进攻的敌机喷出愤怒的反击炮火，4架值班的伊尔-16战机顽强地冲向日军的轰炸机群，向日机连发火箭弹，6架日军轰炸机被打得凌空爆炸。这是世界空战史上航空火箭弹的首次运用。但日军轰炸机还是将携带的炸弹全部倾泻在苏军的机场上，整个机场一片火海，地面上到处都是被炸毁的飞机残骸，油库中弹引发的熊熊大火直冲云霄！
据日军随后公布的战果显示，共有124架苏军飞机被击毁，还包括苏军的机库、营房和油库等重要设施，日军损失轰炸机6架。实际上塔木察格布拉格基地所有飞机加起来也没有124架，数字显然被扩大了。连当时轰炸机群的带队机长第七飞行旅团指挥官宝藏寺少将后来也说：“由于地面的炮火异常猛烈，加上苏军战斗机的袭扰，后边的轰炸被迫采用了高空水平投弹方式，无法精确命中目标，至少有一半的炸弹投到了空地上，关东军宣传的战果明显被夸大了。”
不过就空袭行动本身而言，日军获得了巨大成功，前线苏军飞机损失惨重。虽然损失数字没有日军说的那么多，但苏军机场被袭瘫痪确凿无疑。此后很长一段时间，苏军飞机再次暂时退出诺门坎的上空，日军的空袭基本上达到预期目的。这次成功的空袭也创下了战史上第一次用大机群成功突袭敌方机场的战例。从此以后，袭击敌方机场成为开战时交战双方的“第一必修课”。
名将也并非都是完美无缺，这绝对属于朱可夫的严重失误，这样的失误随后也还会有。收到机场遭受空袭损失惨重报告的朱可夫大发雷霆，将手下一个个骂得狗血淋头，但这丝毫改变不了战局。两年后，在菲律宾，同样是名将的麦克阿瑟还要重蹈朱可夫的覆辙。
6月27日傍晚，当疲惫的有末中佐乘坐火车到达长春见到矶谷参谋长时，矶谷未等有末开口就直言相告：“关东军对塔木察格布拉格的远程轰炸已经在今天上午结束。”然后搓搓手，一脸遗憾地对有末中佐说：“下不为例吧。”泡妞泡累了的有末中佐也无可奈何，只好发电报向上司汇报。这一幕简直就是九一八事变的重演，不过那次是“建川美次”，这次换成了“有末次”而已。后来事实证明，对于习惯自行其是的日军来说，这不是第一次，也绝对是“没有末次”。
捷报传来，关东军作战课长寺田雅雄大佐立即眉飞色舞、添油加醋地向参谋本部作战课稻田正纯课长汇报了整个行动的全过程。本来以为会得到一顿表扬的寺田，得到的却是一通臭骂：你关东军也太不把参谋本部放在眼里了，老子不让你炸你偏要炸。骂完之后，稻田大佐还有难题需要处理：这么重要的事情，参谋本部该如何向天皇他老人家汇报呢？
这种丢人的事，作为皇族的参谋总长闲院宫载仁亲王肯定是不会去的，黑锅还要中岛次长来背。无奈，中岛只好硬着头皮去皇宫上奏，结果被裕仁劈头盖脸地骂了一顿：“随意轰炸外蒙古境内，这叫干什么？责任由谁来负？”中岛嗫嚅半天，说：“眼下战斗正在进行，等告一段落之后，将使关东军明确责任。”之后，中岛吊着黑脸窝窝囊囊地回到了参谋本部。
被天皇臭骂的中岛立即将火撒到了关东军的头上，再次痛骂寺田的稻田骂着骂着不过瘾，连电话都摔了。看着被骂得脸都变形了的寺田课长，旁边的辻政信少佐火了，他问旁边的参谋：“参谋本部究竟是日本人还是俄国人？”接着，他从寺田手里抢过话筒，一个电话又重新打给了稻田。
“是苏联飞机先炸我们，关东军只是采取适当的战术手段予以还击。对这种行动，植田军司令官批准就行了，没必要报送天皇。”言外之意，老子告诉你参谋本部都是看得起你，你还真上脸啦？最后辻政信还抛下一句：“如果有问题，所有责任由我一人承担。”不管那边还有没有话，辻少佐把电话一撂，转身走了，牛啊！
其实最委屈的还不是辻政信，而是第二飞行集团嵯峨彻二中将。为了确保轰炸成功，他把手下三个少将旅团长都派去亲自扔炸弹了，舍命换来的显赫战绩不但得不到表扬，反而挨了一顿臭骂，窝囊到家了，飞行集团自此再也没有主动出击的积极性。正赶上最近的空战损坏飞机也确实不少，嵯峨干脆以飞机需要维修为理由拒绝出战。其实这正是日本空军乘胜追击的绝佳时机，这样的良机就在互相埋怨的纠结中白白丧失了。
苏军的损失虽然惨重，但只是飞机和机场的地面设施损坏严重。不幸中的万幸是当时飞行员大部分都不在飞机上，因而伤亡非常轻微。在工程兵的昼夜努力下，机场的地面设施很快修复。苏联有的是飞机，补充的飞机也在半个月内迅速赶到。旧的不去新的不来，补充来的飞机大部分还是性能优良的新战机，朱可夫真可谓塞翁失马。等到日军第二飞行集团完成休整和维修，再想在空战中讨些便宜的时候，形势对他们已经完全不利了。日本空军在随后诺门坎的战斗中渐落下风，逐渐失去了支撑作用。
打了胜仗的日本空军主动休战，给苏联重整空军力量留出了宝贵的时间。而苏联远东空军要增补损失的飞机，暂时保持克制。那些天，诺门坎的天空暂时恢复了难得的宁静。