整個八月初,蘇聯人的試探性攻擊和偶而以營級單位發起攻勢做法是戰場上的重點。蘇軍砲兵獲得了優勢,每天都在猛烈攻擊日軍陣地。與此同時,朱可夫將軍(Zhukov)集結了他的部隊,為蘇聯的一次大攻勢做準備。蘇軍在完全保密的狀況下完成了這些準備工作,隱瞞了他們部隊的動向和部屬。
朱可夫沿著三十公里的前線發動攻勢,使日本守軍措手不及。他將兩個步兵師、兩個騎兵旅、一個摩托化步兵師、一個機槍旅、兩個坦克旅和兩個摩托化裝甲旅集中起來對付數量略少於兩個的日本步兵師。戰鬥的過程相當野蠻。第七摩托化裝甲旅和第601步兵團猛攻721高地(巴爾其嘎爾高地,Balchigar),但未能登頂。戰線中央,蘇軍盡責的和更多的日軍交戰,這樣日軍中央就無法增援他的側翼。戰線男方是朱可夫集中裝甲單位的地方,320多輛坦克和一個裝甲車旅,在步兵師的支援下,迅速轉向日軍左翼,向北駛向諾門罕(Nomonhan)。
由於目光被721高地的激烈戰鬥吸引,步兵第二十三師的指揮官小松原道太郎錯認蘇軍主要攻擊他的右翼。當他向北派出增援部隊時,南面強大的蘇軍裝甲部隊突破了日本的防禦,孤立了第八國境守備隊和步兵第2128營。四天的激烈戰鬥打破了日軍在721高地的防禦,蘇軍越過了戰壕由北向南衝去,完成了對步兵第23師的包圍。
蘇軍顯然滿足於將日軍驅逐到諾門罕以東,不過也可能是因為缺乏人力和物資等進行強力追擊。隨著進攻停止和蘇聯部隊進駐戰壕並加固,波蘭戰役(invasion of Poland,入侵波蘭)的新型閃電戰戰術在平原上嶄露頭角。面對歐洲的新局勢,諾門罕/哈爾欣戈爾(Nomonhan/Khalkhin,後者看蘇聯資料的時候比較常用)的雙方暫停了大部分的軍事行動。蘇聯和日本之間加快了正在準備的外交談判。戰鬥在9月初漸弱。9月16日宣布停火,日本人在四個月的戰鬥中損失慘重:傷亡人數超過17,000人,其中8,440人陣亡、8,766人受傷。蘇聯傷亡人數為9,284人(蘇軍損失為 9,703 人陣亡和失踪。6,472 人在撤離過程中陣亡和受傷,1,152 人在醫院受傷,8 人死於疾病,2,028 人失踪,43 人非戰鬥陣亡,15,251 人受傷,另有 701 至 2,225 人生病,總計 25,655 至 27,179 人傷亡。)。
Drea, Edward J. (1981). Nomonhan: Japanese-Soviet Tactical Combat, 1939. Fort Leavenworth, Kansas: Combat Studies Institute.