蘇聯遠東空軍在5月揭幕戰中幾乎完敗。隨著大批新型飛機的來到和飛行員整體素質的提高，蘇聯空軍急於通過作戰來一雪前恥。因此在地面戰鬥尚未展開之前，空中的戰鬥已率先打響。
6月22日，之前幾乎暢通無阻的日軍第二飛行集團便遭到了蘇聯空軍的迎頭痛擊。日軍的120架戰機與蘇軍的150架戰機在哈拉哈河上空狹路相逢。一場激烈的空戰之後，哈拉哈河兩岸到處都是被擊落飛機的殘骸。斷斷續續的戰鬥持續了整整三天，日軍損失戰機30架，蘇聯的損失大約是40架，戰鬥中，日軍王牌飛行員森本重信大尉陣亡。
三天的空戰雖然僅僅算和對手打成平手，但在此之前，蘇聯空軍在諾門坎上空從未戰勝過敵人，這一輪空戰使得蘇聯空軍重新樹立了戰勝對手的勇氣和信心。蘇聯戰鬥機大隊副大隊長斯科巴里欽上尉在空戰中表現尤為突出，他一人擊落數架日機，戰鬥結束後立即被提升為大隊長。
雖然並未在戰鬥中落敗，但日軍第二飛行集團還是感到了前所未有的壓力。面對蘇軍迅速強大的空中力量，嵯峨徹二中將不禁焦急萬分。他最害怕的就是打消耗戰，日本航空隊猛則猛矣，卻後繼乏力，飛機只能越打越少。日本國內有限的飛機製造能力使得前線幾乎得不到及時的增補，飛行員的補充則更加困難。相反，蘇聯遠東空軍擁有數量上的絕對優勢。由於有了斯大林的首肯，蘇軍出現的損失能夠源源不斷地得到及時補充，升空作戰的飛機始終有增無減。第二飛行集團為此頭疼不已，只好靠加大起飛頻率來彌補飛機和飛行員的短缺，但兵力的調度依然是捉襟見肘，那些身經百戰的飛行員更是疲於奔命。如果就這樣和對方耗下去的話，第二飛行集團遲早會徹底喪失戰鬥力。
為了徹底解除蘇軍的空中威脅，第二飛行集團司令部大膽地擬訂了一個對外蒙古重要機場塔木察格布拉格、桑貝斯、坦赫阿依拉等地實施空襲的作戰計畫，預定的攻擊時間是6月30日。
突襲計畫上報關東軍司令部，以辻政信為首的一幫參謀們認為，之前，蘇聯空軍已經越過邊境進入偽滿洲國境內，對阿爾山、甘珠爾廟和阿木古郎等地進行過攻擊，屬於不折不扣的越境攻擊行為，日軍這樣的作戰計畫純粹屬於正當防衛、禮尚往來。不過他們也預計，東京那幫膽小如鼠的官僚們很可能不會批准這個作戰計畫，報來報去耽誤的都是工夫，還不一定能批下來，乾脆打了再說。辻政信、服部卓四郎一幫人就決定先斬後奏，現在的關鍵問題是要確保打贏，只要打贏了一切都好說，就像以前的九一八事變那樣。
本來天衣無縫的計畫還是走漏了風聲。關東軍內部也並非鐵板一塊，參謀部第四課課長片倉衷中佐從第一課課長寺田雅雄大佐那裡得到了消息，趁著回東京出差的機會將這一消息透露給了自己的好友、陸軍省軍事課課長岩畔豪雄大佐。岩畔本來就不贊成將戰事擴大，他立即彙報參謀本部，關東軍正在謀劃越境攻擊，請立即採取措施加以制止。
參謀本部聞訊，大吃一驚。空襲外蒙古塔木察格布拉格機場屬於典型的越境攻擊，參謀次長中島鐵藏中將感到此舉過於冒險，很可能會引起更大的外交糾紛，在軍事上也面臨更大的風險。當時在中國戰場，雙方已經進入相持階段，戰事的結束遙遙無期。此時在中國的中南部地區，圍繞湖南長沙的一場會戰即將打響，戰役必然導致大量的物資消耗。這些物資很大部分是中國東北的工業基地生產的。中國東北與蘇聯、外蒙古的邊境線長達3000多公里，如果蘇聯對此實施報復性空襲，對中國東北的工業基地威脅很大。對於蘇聯和外蒙古而言，日軍戰機的作戰半徑之內，幾乎都屬於不毛之地，就是想報復也找不到可炸的地兒。再說以蘇聯的經濟實力，日本就是能報復也屬於隔靴搔癢。
基於以上原因，中島次長隨即給關東軍參謀長磯谷廉介中將發去電報，提出不能實施越境轟炸。磯谷參謀長很快就有了回電：關東軍在上述問題上的看法和將要採取的手段與參謀本部有所差異，希望「貴部」將諾門坎戰役的一切事務交給關東軍自行處理。中島納悶，這到底誰能管住誰呀？無奈的中島只好派出作戰參謀有末次中佐直接到長春傳達東京的旨意。
讓中島想不到的是，實際上給他發出那封電報的根本不是磯谷參謀長，而是關東軍作戰參謀辻政信。在這份電報的批准表上，課長、參謀長、軍司令官幾欄內簽署的全是辻政信的大名。辻政信本來以為這樣就算辦妥了，但是聽說參謀本部要派人來長春，就知道來了大麻煩，看來不彙報是不行了。
那份給參謀本部的回電儘管是辻政信擅自發出，但回電的內容卻正合植田司令官和磯谷參謀長之意，於是大家就在一起策劃應對之策。後邊也有好消息傳來，老天真是給面子，本來6月25日到達關東軍司令部的有末次中佐，因天氣出行計畫推遲。
6月30日是第二飛行集團預定的遠程轟炸時間。植田急忙指示嵯峨徹二，將攻擊時間提前到有末中佐到來之前的6月27日。
同時關東軍司令部指使自己的傀儡偽滿洲國立即對外發出「嚴正聲明」：「在之前短短五天的時間裡，蘇聯和外蒙古空軍多達十一次侵入我興安北省境內諾門坎一帶，炸死炸傷我民眾多人，在我國的照會和多次聲明下，他們的侵略行為不但沒有收斂，而且變本加厲。為此，我軍勢必對其進行堅決還擊。」
6月26日，有末中佐一行飛抵大連。和九一八事變之前的建川美次少將一樣，在磯谷參謀長的親自部署下，有末得到了十分殷勤的接待。接待人員拉著急著要去長春的有末，先是參觀了大連市容，然後視察了旅順基地，還安排了黃金山、老虎尾的景點精品路線游，還瞻仰了日俄戰爭的勝利紀念物——俄國旗艦的大鐵錨，最後在白沙灘盡情地遊了泳。晚餐是形容不出的美酒海鮮，晚飯後陪伴有末的還有幾個妖艷的俄羅斯美女，簡直令有末中佐神魂顛倒、流連忘返。快樂的時光總是那麼短暫，一天很快過去了。
利用這一天的時間差，嵯峨徹二進行了最後的準備。飛行集團對外蒙古境內的各大軍用機場進行反覆偵察，把目標鎖定在塔木察格布拉格空軍基地。這個基地位於哈拉哈河以西約130公里，機場上停滿了蘇軍的各型戰機。
就在有末中佐風流快活之時，6月26日晚，海拉爾第二飛行集團司令部里秘密會議正在召開。午夜時分，嵯峨徹二中將發布了作戰命令：6月27日清晨越境空襲，消滅敵軍飛行基地的全部飛機。具體計畫：第七飛行旅團旅團長寶藏寺少將率領重型轟炸機20架；第九飛行旅團旅團長下野少將率領重型轟炸機27架，輕型轟炸機10架；第十二飛行旅團旅團長東少將率領戰鬥機80架。總計137架飛機參加對塔木察格布拉格空軍基地的越境轟炸。
6月27日凌晨4時，海拉爾機場和甘珠爾廟機場格外繁忙熱鬧，57架轟炸機和80架戰鬥機在黎明的微光中一架接一架騰空而起，30分鐘後迅速在空中完成了菱形編隊：第一組為戰鬥機群，第二組為重轟炸機群，第三組為輕轟炸機群，第四組仍為戰鬥機群。為避免被蘇軍發現，各機群始終保持3000米的飛行高度。黑壓壓的機群向著外蒙古境內的塔木察格布拉格機場猛撲過去。
早上6時左右，日軍機群按預定時間準時抵達塔木察格布拉格上空。此刻的蘇軍正在晨操，只有防空哨兵的眼睛還在注視著遠方的天空。這正是一天中機場警戒最薄弱的時刻，關東軍對於攻擊時刻的選擇也確實是煞費苦心。
隨著日軍轟炸機的俯衝投彈，空襲警報聲和爆炸聲震驚了這片寧靜的大地。停機坪上一架接一架的蘇軍飛機相繼中彈起火燃燒，機場彈藥庫中彈引起連環爆炸。蘇軍的防空火炮向進攻的敵機噴出憤怒的反擊炮火，4架值班的伊爾-16戰機頑強地沖向日軍的轟炸機群，向日機連發火箭彈，6架日軍轟炸機被打得凌空爆炸。這是世界空戰史上航空火箭彈的首次運用。但日軍轟炸機還是將攜帶的炸彈全部傾瀉在蘇軍的機場上，整個機場一片火海，地面上到處都是被炸毀的飛機殘骸，油庫中彈引發的熊熊大火直衝雲霄！
據日軍隨後公布的戰果顯示，共有124架蘇軍飛機被擊毀，還包括蘇軍的機庫、營房和油庫等重要設施，日軍損失轟炸機6架。實際上塔木察格布拉格基地所有飛機加起來也沒有124架，數字顯然被擴大了。連當時轟炸機群的帶隊機長第七飛行旅團指揮官寶藏寺少將後來也說：「由於地面的炮火異常猛烈，加上蘇軍戰鬥機的襲擾，後邊的轟炸被迫採用了高空水平投彈方式，無法精確命中目標，至少有一半的炸彈投到了空地上，關東軍宣傳的戰果明顯被誇大了。」
不過就空襲行動本身而言，日軍獲得了巨大成功，前線蘇軍飛機損失慘重。雖然損失數字沒有日軍說的那麼多，但蘇軍機場被襲癱瘓確鑿無疑。此後很長一段時間，蘇軍飛機再次暫時退出諾門坎的上空，日軍的空襲基本上達到預期目的。這次成功的空襲也創下了戰史