В конце мая 1939 года был направлен в район боевых действий на реке Халхин-Гол с группой опытных мастеров воздушного боя под командованием комкора Я. В. Смушкевича для усиления советской авиации. С июня 1939 года майор Степан Данилов командовал 56-м истребительным авиаполком ВВС 1-й армейской группы. В боях на реке Халхин-Гол за период с 17 июля по 16 сентября 1939 года он совершил 60 боевых вылетов (из них 20 на штурмовку наземных войск противника), лично сбив в воздушных боях 8 японских самолётов (6 истребителей и 2 бомбардировщика). По сохранившимся документам 56-го авиаполка, им было одержано на Халхн-Голе 5 личных и 5 групповых побед. Полк под командованием С. П. Данилова в общей сложности сбил 80 самолётов противника, успешно выполнив все поставленные перед ним боевые задачи, а сам командир вошёл в число первой десятки лучших советских асов Халхин-Гольских боёв.