1939年（昭和14年）8月、坂井大尉は第64戦隊とともにノモンハン戦線へ転進し、8月20日から9月15日の停戦まで連日のように出撃した。9月1日の戦闘で第2中隊長の安西秀一大尉が戦死すると、坂井が中隊長職を引き継いで戦った。ソ連戦闘機の大群を相手に日に4～6回の出撃を重ね、多い時は一日で7回出撃したこともあり、50発被弾して帰還したこともあった。この間、坂井の編隊は8機以上の撃墜戦果をあげた。ノモンハン戦後は東満の東京城に駐屯、最新の英米式戦闘機戦術を取り入れた「坂井式」と呼ばれる猛訓練を実施して、後にエースとなる檜與平らを育て上げた。