З червня 1939 року на посаді заступника командувача 1-ї армійської групи (командувач комкор Г. К. Жуков), а потім командувача Південною групою військ, полковник М. І. Потапов брав участь у боях в районі річки Халхин-Гол (Монгольська Народна Республіка) проти японських військ. З 16 вересня 1939 року присвоєне військове звання комбриг. За ці бої був нагороджений орденом Червоного Прапора і орденом Червоного Прапора Монгольської Народної Республіки. Відразу після припинення бойових дій брав участь у перемовинах з японською стороною, які стосувалися головним чином питань порядку і часу демаркації кордону, на який вийшли радянські і монгольські війська; про те, на яку відстань до нього можна наближатися; про взаємну передачу полонених та загиблих.