從七月九日開始，第六野戰軍兵分兩路，東路為東軍團，由第六軍直屬部隊，第六一集團軍十二萬多人為主力，以太行兵團裝甲第五師和炮兵第三師為先鋒，在第六野戰軍司令曾中生的親自率領下，從內蒙錫林郭勒地區開始兵出外蒙。
西路由第六二集團軍，第六三集團十九萬大軍組成，在政委賀龍的率領下，西軍團從內蒙西部的巴彥卓爾地區直插外蒙，開始的對日軍外蒙派遣軍的長途奔襲。
日軍外蒙派遣軍有近三十萬兵力，分成三個軍，其中兩個軍主要部署在外蒙和內蒙、新疆交界的幾千公裏邊境上，同時日軍在外蒙省會烏蘭巴托也也有一個軍的駐軍。
從七月八日，開始，解放軍西北內蒙地區的各空軍，就派出了大量的部隊開始轟炸日軍在外蒙的各軍用機場，在短短一天時間內，解放軍空軍就取得了絕對的製空權，同時，和其他戰場一樣，開始對日軍的重點區域進行不間斷地毯式轟炸。
因此，當第六野戰軍東西兩路大軍開始殺入外蒙境內的時候，日軍外蒙派遣軍已經在一片慌亂之中了，除了空軍的轟炸給日軍造成了極大的傷害外，東西兩軍團分別配屬的一個特戰大隊，也開始在外蒙地區真正發威。
一天時間內，日軍在內外蒙軍隊的兩個軍指揮部，均被偷襲，日軍兩個軍部，幾乎所有軍官和參謀人員全部被屠殺殆盡，日軍一些重要軍火庫被炸成廢墟。
因此，兩路大軍在進入外蒙的時候，根本就沒有遇到多強大的日軍抵抗，尤其是作為主攻方向的東線兵團，在太行兵團裝甲第五師和炮兵第三師這兩支逆天的超現代化部隊麵前，日軍即使是成師團以上編製的部隊，也顯得不堪一擊。
裝甲第五師和炮兵第三師近三萬大軍，憑著強大的機動力，和超強的火力，在外蒙大地上肆虐，將原本成建製的日軍打殘以後，就留給緊跟在後麵的第六野戰軍東軍團。從七月九日開始到七月十八日，在十天時間內，太行兵團裝甲第五師和炮兵第三師邊攻擊，邊前進，硬是挺進了一千多公裏，趕到日軍的大本營，外蒙省會烏蘭巴托。
一路上，日軍在東線的一個軍三個師團八萬多人，居然被太行兵團裝甲第五師和炮兵第三師幹掉了近一半兵力，剩下的日軍也被隨後而來的第六野戰軍東軍團就地殲滅了。
第六野戰軍西軍團進展同樣順利，根據戰前作戰計劃，西軍團從七月十日開始殺入外蒙境內後，就立刻兵分兩路，第六二集團軍在邊境地區對峙殲滅日軍外蒙派遣軍第二軍。
第六三集團軍則從一開始就置當前敵人於不顧，而是利用已經實現了全機械化行動的突擊能力，用強行軍的速度，每天前進近百公裏，成千輛軍用卡車在蒙古高原上疾駛，到七月十八日，當太行兵團裝甲第五師和炮兵第三師到達烏蘭巴托外圍的時候，第六三集團軍在賀龍的親自指揮下，也趕到了烏蘭巴托外圍，和太行兵團的部隊會合了。
麵對太行兵團裝甲第五師和炮兵第三師的強悍攻擊力，日軍盡管在烏蘭巴托也有一個軍三個師團的守護力量，卻是顯得根本不堪一擊。
在經過一天休整後，太行兵團裝甲第六師和炮兵第三師和第六三集團軍發動了聯合攻城行動。
七月二十日上午九時，在空軍開始對烏蘭巴托日軍進行新一天轟炸攻擊的同時，太行兵團裝甲第五師的近六百輛坦克的120毫米主炮管，也對準了烏蘭巴托城日軍陣地。
比裝甲第五師的炮火更逆天的是，炮兵第三師從最大口徑為150毫米的自行重炮，到口徑為七十毫米的全自動二十四管連發火箭炮，無不是不是令任何敵人都膽寒的東西。太行兵團炮兵部隊每個師編製為各式超現代的全自行重炮和火箭炮六百門，全師人員編製為一萬一千人。