7月23日，日军在诺门罕前线各部队经过半个月的补充和休整后，集中25000名兵员，82门大炮全线发动总攻击。24日，苏军发动反攻，日军退回原地。25日，关东军司令部下达“停止进攻，构筑阵地”的指示。
8月4日，日军为实施统一指挥，在海拉尔组建第6军(辖第23、第8国境警备队等，司令荻州立兵中将)，兵力约2.5万人。
为早日解决诺门罕地区战事，苏军统帅部决定在塔木察格布拉格的第57特别军扩编成第1集团军。这是临时组织的具有独立作战职能的多种合成的大兵团。苏军集结第1集团军(6万余人，辖3个步兵师，即第57师、第82师、第152师)、摩托化第36师，机械化第5旅，装甲第7旅、第8旅、第9旅，坦克第6旅、第7旅、第11旅，空降第212旅、机枪第5旅、炮兵第185团，反坦克炮第37、85营，第63、66、150防空营等其他部队(另附外蒙骑兵第6师、骑兵第8师等部队)，共计机械化大军10万余人(另外动用铁路昼夜不停的运送来18000吨炮弹，6500吨炸弹，7000吨燃料，4000吨粮食和4000吨物资、3000辆载重汽车..... 苏军一共498辆坦克、346辆装甲车，542门大炮，515架飞机)。7月15日，朱可夫被任命为集团军司令员。[
苏军总参谋部决定总攻时间为8月20日(星期天)，因为按照惯例，日军前沿部队的军官有半数要轮流到海拉尔去休假。进攻的命令20日凌晨2点45分传达到一线连队，对面日军阵地一片沉寂，苏军反攻做到了最大的突然性。
8月20日凌晨，苏蒙军发起总攻战役。苏蒙军以3个步兵师，2个骑兵师，5个装甲旅，1个机枪旅，1个空降旅以及大量的飞机、大炮，开始举行大规模的反攻。日军虽然1辆坦克也没有，被苏军成千吨炮弹猛烈轰炸，还被苏军装甲部队合围，但日军毫无惧色，在阵地上勇敢地和苏军激战。构筑在蒙古旷野上的土木机构工事很快被苏军的大炮轰成平地，日军就依托单兵用工兵铁锹挖成的简易单兵掩体作战。8月24日，日军竟然还发起了反击，3000名没有炮火掩护的日本步兵被阻止在铁丝网和野战工事以及大炮面前，随后苏军坦克开始出击，日军后退。战斗到8月26日，日军第23师团已经被完全合围了。在苏军重炮群、坦克群、航空炸弹的猛烈轰击下，日军第23师团损失惨重。此役，苏军重创重日军第23师团搜索队，全歼第7师团第26联队第1大队，日军第64联队和炮兵第13联队被苏军大部歼灭，第64联队长山县武光大佐和炮兵第13联队长伊势高秀大佐均被击毙，23师团第71联队长森田彻大佐亦被击毙，日军仅有的22门加农炮全部丧失。
8月31日，在被上万吨炮弹轰击第11天后，弹尽粮绝的日军第23师团决定突围。2000多名第23师团士兵用手榴弹近战杀出一条路，突出重围。日军各部队亦随之突围。
8月29日，鉴于日军在诺门坎地区的不利情况，日军大本营决定在我国关内战场调集：第5师团(驻青岛)，第14师团(驻河南开封、新乡)，野战重炮兵第9、第10联队，速射炮9个中队，16个野战高炮队，1个飞行战队，22个汽车中队到达我国东北，以增强诺门坎地区。
同时关东军司令部调集第2师团10000人、第4师团9800人、第7师团8000人、高炮部队和国境守备队主力向诺门坎前进，企图战胜苏军。但在攻势发起前的9月3日被日军大本营阻止。
9月9日，东乡驻苏大使向苏联提出诺门坎停战要求。
9月15日，日本驻苏大使东乡与苏联外交部长莫洛托夫签订停战协定，双方于9月16日凌晨2时停止一切实际军事行动。
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