W trakcie trwającej w połowie lipca przerwy w walkach obie strony rozbudowały własne siły lotnicze. Sprawiło to, że po wznowieniu starć ponownie doszło do ciężkich walk w powietrzu. Początkowo japońscy lotnicy byli w stanie rozstrzygać na swoją korzyść większość pojedynków. Lotnictwo sowieckie, uzyskawszy sporą przewagę liczebną, zaczęło jednak operować w dużych, trudnych do zwalczania formacjach, a po przejściu własnych wojsk lądowych do natarcia szybko zdobyło przewagę w powietrzu i zepchnęło przeciwnika do defensywy, zadając mu przy tym ciężkie straty.
W czasie przerwy w walkach Japończycy dokonali reorganizacji struktury swoich sił lotniczych. Wszystkie jednostki myśliwskie wcielono do 12. Brygady Lotniczej, a pozostałe do 9. Brygady Lotniczej. Stan lotnictwa japońskiego na dzień 14 lipca był następujący:
9. Brygada Lotnicza:
• 10. Pułk Rozpoznawczo-Bombowy, liczący dwie eskadry bombowe (9 Ki-30) i jedną eskadrę rozpoznawczą (5 Ki-15);
• 16. Pułk Bombowców Lekkich, liczący trzy eskadry (20 Ki-30);
• 61. Pułk Bombowy, liczący trzy eskadry (9 Ki-21);
12. Brygada Lotnicza:
• 15. Pułk Rozpoznawczy, liczący trzy eskadry (9 Ki-4, 4 Ki-30 i 6 Ki-36);
• 1. Pułk Myśliwski, liczący dwie eskadry (22 Ki-27);
• 11. Pułk Myśliwski, liczący cztery eskadry (42 Ki-27);
• 24. Pułk Myśliwski, liczący dwie eskadry (22 Ki-27).
Jednocześnie strona sowiecka także znacznie rozbudowała swoje siły. W skład operujących nad Chałchyn-Goł pułków wcielono wielu nowych pilotów wyselekcjonowanych z jednostek myśliwskich z całego terenu ZSRR. Wśród walczących znalazła się nawet 15-osobowa grupa pilotów z Marynarki Wojennej. Dziesięciu z nich pochodziło z Floty Bałtyckiej, a pięciu z Floty Czarnomorskiej. Na czele marynarzy stał mjr Nowikow z Floty Bałtyckiej. Po przybyciu na front zostali oni rozdzieleni do różnych pułków. Ponadto 21 lipca przybył 56. Pułk Lotnictwa Myśliwskiego w składzie 30 I-153 i 45 I-16, którym dowodził mjr Daniłow.
Przerwa w walkach nie trwała długo. Już rankiem 21 lipca graniczną rzekę przekroczyły silne formacje sowieckich myśliwców. Łącznie w walkach wzięło udział aż 95 I-16 i 62 I-15bis z 22. i 70. PLM. Przeciw nim Japończycy wysłali zaledwie 24 Ki-27 z 1. i 24. Sentai. Na szczęście dla Japończyków bitwa powietrzna przekształciła się w szereg zażartych walk, w których Sowieci nie potrafili należycie wykorzystać przewagi liczebnej. Japończycy atakowali kolejne formacje nieprzyjaciela, dzięki czemu pojedynki były wyrównane. Za cenę dwóch Ki-27, które przymusowo lądowały, 24. Sentai zgłosił zestrzelenie 20 maszyn przeciwnika. Kpt. Keisuke Yamada, dowódca 2. eskadry 1. Sentai, uratował się skacząc ze spadochronem z płonącej maszyny. Otoczony przez żołnierzy wroga, nie chcąc trafić do niewoli popełnił samobójstwo, wybierając śmierć zamiast hańbiącej dla Japończyka niewoli. 1. Sentai zgłosił zniszczenie 25 samolotów wroga. Faktyczne straty radzieckie ograniczyły się jednak do sześciu wyznaczonych do ataków na cele naziemne I-15bis, gdy eskortujące I-16 spóźniły się z reakcją. Zginęli młodsi lejtnanci D.P. Artiemiew. P.E. Warfołomiew i H.M. Miljajew. Trzech kolejnych sowieckich lotników zostało rannych, spośród których mł. lejt. F.A. Płygin zmarł później w szpitalu. W kwestii raportowanych sukcesów również sowieckich lotników poniosła fantazja. Zameldowali bowiem o walce z około 130–150 myśliwcami przeciwnika, z których zestrzelić mieli dwanaście.
Następnego dnia połączona formacja myśliwców z 1. i 11. Sentai bezskutecznie usiłowała przechwycić 23 SB bombardujące pozycje wojsk lądowych. Sowieckim bombowcom towarzyszyły silne formacje myśliwskie ocenione na około 120 I-16. W tej sytuacji Japończycy walki nie podjęli.
23 lipca intensywność walk znacznie wzrosła. Sowieci ośmiokrotnie przekraczali rzekę Chałchyn-Goł, wykonując 135 lotów bombowcami SB oraz około 150 lotów myśliwcami. Przeciw nim startowali piloci wszystkich trzech stacjonujących w rejonie sentai. Japończycy w trzech osobnych starciach zgłosili zestrzelenie 45 I-16 i trzech SB. Utracili natomiast dwa Ki-27 z 11. Sentai oraz po jednym z 1. i 24. Sentai. Ponadto Japończycy stracili w powietrzu jednego Ki-30, a na ziemi trzy Ki-15 z 15. Sentai. Faktyczne straty sowieckie wyniosły pięć I-16 i trzech pilotów. Największe straty poniósł nowo przybyły 56. PLM, który z 60 uczestniczących w walce I-16 utracił trzy, przy czym zaginął lejt. G.T. Poniewin. Ich przeciwnikiem był prawdopodobnie 24. Sentai, który utracił maszynę st. sierż. Shimomury. W celu zmniejszenia w przyszłości strat, personel 56. Pułku został wzmocniony weteranami z pozostałych dwóch jednostek myśliwskich. Na stanowisko dowódcy mianowano płk. Kucewałowa. Ponadto zginął mł. lejt. A.S. Danilin z 22. PLM oraz kpt. P.S. Szamraj –dowódca eskadry w 70. PLM. Piloci 22. Pułku zgłosili w walce z 32 Ki-27 pięć zwycięstw powietrznych. Przeciwnikiem był 11. Sentai, który utracił jednak zaledwie dwie maszyny. Zginęli ppor. Sueo Yamaguchi i kpr. Miyatani. Jako ciekawostkę warto dodać, że po stronie sowieckiej obok 27 I-16 w walce uczestniczył pojedynczy I-153, co było złamaniem zakazu o nie przekraczaniu rzeki na tym typie samolotu.
W trzecim starciu przeciwnikiem 1. Sentai było 50 I-16 z 70. PLM. Sowieci zameldowali o zniszczeniu dwóch Ki-27, choć w rzeczywistości 1. Sentai stracił tylko jedną maszynę. Strata była jednak dotkliwa, śmierć poniósł w niej bowiem por. Shozo Koizumi, dowódca 1. eskadry 1. Sentai. Japońska obrona przeciwlotnicza zgłosiła zestrzelenie siedmiu I-16 i ośmiu SB. Aktywne były japońskie jednostki bombowe, tj. 10., 16. i 61. Sentai. Samoloty Ki-21 i Ki-30 wykonały 128 lotów bojowych, zrzucając 48 ton bomb.
Następnego dnia rano myśliwcy z 22. PLM przechwycili lecącą bez osłony formację sześciu Ki-30, raportując zestrzelenie dwóch. Podczas bombardowania pozycji japońskich nad celem zderzyły się dwa SB. Załogi uratowały się skacząc na spadochronach i trafiły do niewoli. Był to jednak tylko początek nieszczęść. Formację 54 SB ze 150. Pułku, lecącą w osłonie 35 I-16 z 56. Pułku, zaatakowały japońskie myśliwce i zestrzeliły dwa SB z 2. eskadry oraz cztery I-16. 56. PLM ponownie poniósł ciężkie straty, zginęli bowiem: zastępca dowódcy kpt. P.I. Kurkow, instruktor polityczny B.I. Martynow oraz lejt. A.S. Permikin, a inny pilot został ranny. Japończycy przechwycili także lecącą bez eskorty grupę 18 bombowców z 38. Pułku. Trzy SB zostały zestrzelone, dwa rozbiły się podczas lądowań przymusowych, a kolejny lądował poza lotniskiem. Dodatkowo z powodu przebitych opon dwa SB z 38. Pułku uległy wypadkom podczas lądowania i jeden z nich został złomowany. Około godz. 14.30 32 I-16 z 70. Pułku spotkało w chmurach kilka małych formacji Ki-27, raportując zestrzelenie pięciu z nich. W sumie tego dnia Sowieci zgłosili zestrzelenie 17 Ki-27, z których aż 11 miało paść łupem strzelców pokładowych bombowców SB. Stracono jednak aż 10 SB i osiem I-16. Japończycy zgłosili zestrzelenie 29 samolotów na pewno i 14 prawdopodobnie, za cenę dwóch własnych myśliwców. Zginęli por. Satoshi Ito i por. Fujio Honma z 1. Sentai.
25 lipca główny ciężar walk spadł na 24. Sentai. Początkowo piloci tej jednostki związali bojem 40 I-16 i pięć I-15bis z 70. PLM. Wkrótce siły sowieckie zostały wzmocnione przez 78 I-16 z 22. i 56. PLM. Wobec znacznej przewagi przeciwnika 24. Sentai utracił dwóch pilotów – kpr. Takagaki i st. sierż. Tatsumi, który odniósł pierwsze i ostatnie zarazem zwycięstwo. Później do walki włączyły się 1. i 11. Sentai. Ciężkie chwile przeżywał największy japoński as, chor. Shinohara, który zgłosił tego dnia cztery zwycięstwa powietrzne. Z powodu przestrzelenia zbiornika paliwa został zmuszony do lądowania za liniami nieprzyjaciela. Obok wylądował st. sierz. Yutaka Aoyagi, ale jego myśliwiec został trafiony przez sowiecki czołg, a on sam ranny. W końcu obu uratował przed zbliżającymi się czołgami st. sierż. Koichi Iwase. W podobny sposób uratowany został także pilot 1. Sentai st. sierż. Shintaro Kashima, którego po wykonaniu skoku spadochronowego ocalił st. sierż. Bunji Yoshiyama. Jeden Ki-27, który wylądował przymusowo z powodu uszkodzenie pociskami zbiornika paliwa i instalacji paliwowej, wpadł w ręce Sowietów. Już 27 lipca zdobyta maszyna została odesłana do ZSRR, gdzie poddano ją badaniom. Tego dnia Japończycy zgłosili zestrzelenie 59 samolotów na pewno i pięciu prawdopodobnie. Sowieci potwierdzili jednak utratę tylko pięciu I-16 i czterech pilotów. Zginęli lejtnanci A.A. Akaszew i K.F. Strielnikow z 22. PLM oraz st. lejt. P.I. Afanasiew i lejt. A.F. Matwiejew z 56. PLM. W zamian raportowano zestrzelenie 17 japońskich samolotów. Dwa dni później zaginął I-16 pilotowany przez mjr. A.P. Wasiliewa.