输线路始终难以打通。日军再次发动细菌战，前线部队出现严重腹泻等恶性传染病，造成大量非战斗减员。
7月16日夜，日军发起反攻，一百五十多门火炮倾泻出数百吨炮弹炸乱了苏军建制吸引了苏军注意力，秘密过河的战车师团吉丸清武大佐的第三坦克联队、玉田美郎第四坦克联队、国崎登中将第七师团从两翼迅猛突击，冲破野战进攻中的苏军薄弱防线。
混乱的苏军部队被两面迂回的部队冲成数段，正面防守的第二师团也投入进攻，缺油少弹的苏军被迫后撤，集团军司令部撤退有些迟缓与敌装甲部队遭遇，被冲散包围，朱可夫司令员、政治委员尼基舍夫中将、集团军副司令波塔波夫中将、政治部主任戈洛霍夫少将、参谋长库谢夫少将、后勤部长巴比丘克少将等英勇战斗却因敌众我寡先后阵亡。
派驻蒙古协调作战的总参谋部通讯主任列昂诺夫上将、炮兵主任沃罗诺夫大将、装甲兵主任巴普洛夫大将、工程兵主任库里克中将、航空兵主任鲍尔吉金少将此时也在前线观摩指导，在转移途中遭遇地雷阵和特战队埋伏，被步枪、机枪、掷弹筒打击下不幸战死。
被朱可夫分成三个攻击集群的雅科夫列夫少将11坦克旅、列索唯依上校摩托化装甲第7旅、瑟切夫少将摩托化装甲第9旅、加拉宁少将57师、费久宁斯基少将82步兵师、列米佐夫少将摩步36师、斯塔佛斯基少将152师等部队被冲散各自突围失去联系。
天明后日军出动飞机轰炸前线机场，掩护装甲兵、步兵发起全线追击，缺乏有效组织的苏军部队已经全线崩溃、失去建制向西溃逃，很多人在戈壁地带迷失方向，两万余人被俘，重装备全部遗弃，敌坦克部队、航空兵部队进占塔木察格布拉格转入补充休整。
急剧的战场变化出乎所有人的预料，斯大林得知噩耗异常震惊，十万人的部队五百多辆坦克、四百多门重炮、五六百架飞机，调动18ooo多吨物资一直占据着上风一夜间落了个惨败！日本军队竟有这么强的战斗力？是朱
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