集的兵力有补充后的第二十三师团全部，由第一坦克团和第七师团的一部组成的安冈支队，还有配属的第二飞行集团。这是边界争端中没有先例的大规模调集兵力，其方针是不惜与苏军展开正面冲突，态度非常强硬。
对此，苏联方面的抵抗非常激烈，朱可夫立即组织150辆坦克、154辆装甲车、90门大炮和全部飞机及其它部队，分三路反攻。由于巴音查岗高地周围全是开阔地，非常有利于飞机和战车作战，日军全部裸露在苏军坦克和装甲车炮的面前。在这次战斗中，日本的反坦克炮和用******实行近战击毁行军坦克的战术发挥了威力。随后，战局开始转为对日本不利，二十三师团撤退到哈拉哈河右岸与安冈支队会合。
随着双方兵力的不断投入，战争的规模也不断的升级，6月初，日大本营陆军部发出命令，在海拉尔组织第六军，直接指挥作战。第六军司令官由狄州立兵中将担任，战争由此转人了持久战。
而与之相对的是，苏联方面在朱可夫指挥下组建了第一军团，以五个装甲师（坦克、装甲车各420辆）为中心不断增强兵力。同时苏联还不断从国内调集飞机，与日军死磕。
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。
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。
鉴于打败苏联已经没有希望，日本东乡驻苏大使向苏联提出诺门坎停战要求。随后，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。而诺门罕之战，历时135天。双方投入战场兵员20余万人，大炮500余门，飞机900架，坦克
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