В это время советские истребительные части начали получать новое вооружение: биплан с убирающимся шасси И-153 и моноплан И-16 тип 17 с двумя 20-мм пушками, бронированием кабины и протектированными топливными баками. И если И-153 не оправдал возлагавшиеся на него надежды, что ясно показывало закат эпохи бипланов, то быстрый и хорошо вооруженный И-16 тип 17 заметно превосходил Ki-27. Это стало особенно заметно, когда Советы применили новую тактику использования истребителей — большие группы самолетов в плотных боевых порядках, использовавшие при атаке преимущество в скорости и/или высоте и быстро выходившие из боя (тактика "ударь и беги"). Легкие, со слабым вооружением и бронезащитой Ki-27 стали нести потери. С другой стороны, японцы имели лучшую летную подготовку, оточенную опытом боев в Китае, и когда им удавалось разрушить вражеский строй и завязать выгодный для Ki-27 маневренный воздушный бой, советским истребителям приходилось туго. Неоспоримое превосходство, которое Ki-27 имели над советскими машинами до середины июля, теперь быстро испарилось. С изменением в тактике советских ВВС потери японцев стремительно возросли. К концу июля было потеряно много опытных пилотов, включая двух командиров Сентаев и десяти командиров Чутаев, а три командира Сентаев и два — Чутаев получили серьезные ранения и надолго выбыли из строя.
2 августа советские ВВС начали новое воздушное наступление на японские аэродромы в зоне боевых действий, используя большие группы бомбардировщиков с сильным прикрытием. Японские силы понесли тяжелые потери, особенно на земле. Ухудшающаяся ситуация заставила японское командование перебросить в район Номонгана дополнительные авиационные части, среди которых был вооруженный Ki-27 64-й Сентай (командир — майор Хачио Йокояма), в состав которого входило только два Чутая с пятнадцатью истребителями. Подразделение прибыло в район Халхин-Гола из Китая 15 августа и 17 мая выполнило первый боевой вылет, не встретив самолетов противника.
На рассвете 20 августа советские войска начали воздушное и наземное наступление, атаковав позиции Квантунской армии в районе Халхин-Гола силами 150 бомбардировщиков под прикрытием 144 истребителей. Затем последовал артиллерийский удар и атака сухопутных войск, включая танки. Вторая волна состояла из 52 бомбардировщиков СБ под охраной 150 истребителей. Эта группа была перехвачена Ki-27 из 11-го и 64-го Сентаев: в результате разгорелся один из самых ожесточенных в этом конфликте воздушных боев. По советским данным в этот день было уничтожено шестнадцать японских самолетов без потерь со своей стороны. В свою очередь, японцы утверждали, что им удалось сбить 35 советских машин (два СБ и 33 истребителя) и пять уничтожить на земле, не понеся при этом потерь!
Ки-27b 64-го Сентая, Китай, лето 1939 года. На первом плане машины из 1-го Чутая с едва различимым на хвосте желтым номером «33», позади — самолет из 3-го Чутая с черной полосой на руле направления и черной катаканой «Ри» на киле.
Ки-27b 2-го Чутая 24-го Сентая, Номонган, 1939 год. На фюзеляже самолета на первом плане дарственная надпись: «Айкоку 318 Дий-Го Каишими». Ни самолете с черной катаканой «Ми» на руле летал командир 2-го Чутая лейтенант Хойе Йонага.
Ки-27b 1-го Чутая 64-го Сентая, Номонган, лето 1939 года. На вертикальном оперении помер «13» желтого цвета, плохо различимый на этой фотографии. На этом самолете летал сержант Хироши Секигучи.
Ки-27b 2-го Чутая 24-го Сентая, Номонган, май 1939 года. Эмблемой 24-го Сентая были цветные полосы ни вертикальном оперении (две на киле и четыре на руле) — белые у самолетов 1-го Чутая, красные — у 2-го Чутая и желтые — у 3-го Чутая.
В этот день произошел интересный случай, предвестник будущей (ещё очень далекой) революции в тактике воздушного боя. Советские И-16 тип 10 (или тип 17) из экспериментального подразделения 22 ИАП впервые использовали неуправляемые ракеты (82-мм РС-82) и, по советским данным, сбили два Ki-27 над озером Буир-Нур. Противник не подтверждает факт потери своих самолетов. Действительно, сомнительно, что неуправляемые ракеты окажутся эффективными при борьбе с маломерными маневренными целями. Однако психологический эффект, произведенный на японских пилотов, должен был быть очень велик.
На следующий день, 21 августа, бои шли практически непрерывно, от рассвета до заката. Японцы использовали 49 легких и тяжелых бомбардировщиков, которых сопровождали 88 Ki-27 из 1-го, 11-го, 24-го и 64-го Сентаев, а советские ВВС подняли в воздух более 250 самолетов. По советским данным в воздухе было уничтожено 17 японских машин и ещё несколько на земле, собственные потери составили шесть самолетов. Японцы претендуют на 59 побед (из них 58 истребители) в воздухе и 25 — на земле (7 истребителей), собственные потери оценивались в шесть самолетов. На следующий день советские ВВС уничтожили 74 японских самолета: японцы сообщили об уничтожении двенадцати советских машин при собственных потерях в четыре самолета (включая два Ki-27). Активные боевые действия в воздухе происходили 23 и 25 августа, причем по советским данным в последний день было уничтожено 48 японских самолетов (включая 41 Ki-27) без потерь со своей стороны.
Наземное наступление продолжалось до конца августа и японцам пришлось уйти в глухую оборону. ВВС противоборствующих сторон также не остались без дела. Превосходство Советов в воздухе становилось все более очевидным. К примеру, по советским данным, между 20 и 31 августа было уничтожено 236 японских самолетов при собственных потерях в двадцать машин. Хотя японцы сообщили об уничтожении 102 советских самолетов (реальные потери ВВС составили 77 самолетов) ценой потери только девяти Ki-27, этот результат выглядит слишком оптимистичным. В бой были брошены даже устаревшие Ki-10, доставленные из Китая, которые поделили между истребительными Сентаями. В августе японцы потеряли четырех командиров Сентаев и Чутаев много других опытных пилотов. 27 августа при сопровождении бомбардировщиков был сбит самый результативный японский ас уоррент-офицер Хиромичи Синохара. Утверждают, что перед гибелью ему удалось сбить три вражеских истребителя.
Воздушные бои над Халхин-Голом, начавшиеся в мае, продолжались до конца августа, хотя случайные стычки имели место и в сентябре. Например, 1 сентября пятьдесят И-153 и И-16 атаковали группу приблизительно из 60 Ki-27 из 1-го, 11-го и 64-го Сентаев. Японцы утверждали, что в этом двадцатиминутном бою им удалось сбить 33 самолета противника, потеряв лишь пять своих истребителей. Их оппоненты говорят о 41 уничтоженной японской машине. В начале сентября 2-й Хикошидан получил подкрепление в виде 2-го Хикодана из Кореи, в составе которого было 30 Ki-10 (9-й Сентай) и 32 бомбардировщика. 9 сентября из Китая прибыл 59-й Сентай под командованием полковника Иссака Имагава, в двух Чутаях которого было 23 Ki-27. В этот день число японских истребителей в районе Номонгана составило 295 машин — больше, чем в самый разгар боев.
