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1939年7月15日，日本关东军在获得了大本营的支持下，从伪满洲国各处调动兵力向诺门坎前线集结。苏军的152重型榴弹炮给日军留下了深刻的印象，日军认为既然步兵和坦克都无法打垮苏军，那么只有动用重型炮兵了，准备以彼之道还施彼身。日军炮兵部队忙碌起来，各处洞库中的重炮兵都被重型牵引车拖拽至前线，日军甚至还用重型履带式牵引车从旅顺要塞拉来了两门要塞海岸重炮。待重炮集结完毕后，日军阵地上的各种口径重炮一起开火，霎时，飞沙走石，地动山摇，苏军前沿阵地爆炸声此起彼伏，陷入一片火海，第一次炮火急袭就打了200吨炮弹。如此规模之大、时间之长的炮火准备，在日本陆军史上，尚属首次，日军认为苏军已经被炮击打垮了，以23师团为主力的步兵部队于上午10时开始发动冲锋，不料苏军已经转入纵深阵地防御，苏军的野战炮兵群同时开始对冲锋的日军和日军的炮群进行压制，152、122毫米口径的榴弹炮瞬间就把多于日军4倍的弹药倾泻到日军阵地上来，工业强国和半工业国的区别在这一瞬间表现得淋漓尽致。日军冲锋部队被这铺天盖地的毁灭性炮击打垮，日军炮群也被苏军凶横的火力完全压制，日军前锋部队几乎全军覆没，进攻不得不停止。
日军虽然攻势屡屡受挫，但是却只是暂时停止，并没有丝毫撤退的意思，固执的日本军方判断苏军不会在诺门坎地带使用大兵团，积极的策划着新一轮进攻，并且加速调动后备部队，硝烟弥漫的诺门坎归于暂时的平静。
在哈拉哈河的另一边，苏军前线总指挥朱可夫将军正在召开作战会议，他判断光凭借被动防御，无法遏制日军的疯狂进 攻，必须进行主动进攻，打乱日本的部署。苏军为了筹划反攻，紧锣密鼓开始积极准备，苏军大量的飞机转场至前线机场，坦克车队排着长长的纵队向前线运动，补给车队昼夜不停的从远在650公里以外的后方基地向前线运来大量的弹药、食品、燃料等作战物资。为了麻痹日军，苏军在前线阵地加紧构筑防御工事，无线电也故意发射大量假的电讯信号，以造成苏军无意进攻的假象。面对苏军如此大规模的兵力物资集结，日军上至关东军司令部，下至前线指挥官，都浑浑噩噩、浑然不觉。到8月19日，苏军已经在诺门坎地区集结了57000人、498辆坦克、325辆装甲车、520架飞机的庞大兵力。日军在该地区的兵力也激增至8万人，但重武器的数量和质量上，和苏军相比处于绝对劣势。
日军思想麻痹还表现在已经两军对圆，激烈战斗已经爆发过数次的情况下，还让在前沿阵地处于高度戒备的军官在两军对峙，战争随时可能爆发的情况下，还抽调半数的军官到远离前线的海拉尔去轮流休假。8月20日，星期天拂晓，5点40分，苏军阵地的重炮群开始对日军阵地实施突然的密集炮击，日军阵地陷入一片地狱般的景象，炮兵阵地、通讯所、观测站被完全摧毁，日军尸体和被炸碎的武器残害如风中落叶般在半空中飘荡。炮击持续了整整30分钟，日军的灾难还没有完全结束，300多架苏军飞机飞临诺门坎上空，对日军残存的战术目标进行补充轰炸。空袭比炮击还要可怕，炸弹呼啸着飞向日军阵地，熊熊烈火和爆炸的冲击波肆虐着，日军在燃烧的烈焰中哀嚎着，指挥完全陷入瘫痪。
在苏军航空兵和炮兵肆虐一小时后，日军炮群才开始还击，相对于等于4倍日军火力的苏军炮兵，日军炮群的还击近乎于濒死之人的喘气而已，有一声没一声的。往往炮击过后，立刻就会遭到苏军远程炮兵的覆盖式还击，以至于日军部队纷纷请求日本炮兵不要还击，避免遭到苏军远程火力的报复性还击。苏军炮群对日军士气的打击由此可见一斑。
苏军从贝加尔湖专场过来的航空兵在首轮轰炸结束后飞回机场补充油料弹药，再次飞临日军阵地，给日军留下了最恐怖的回忆，遮天蔽日的飞机在日本阵地上空投弹，炸弹激起的烟尘像黑云一般覆盖了日军阵地，能见度只有两米远近，很多日军被炸得残缺不全，树上、阵地上、甚至一公里以外的后方基地，都散落着被炸碎的躯干和内脏。更多的日军士兵被航空炸弹的冲击波活活震死在坑道之内，耳鼻流血、面目狰狞。苏军空袭密度之大、持续时间之长、火力之凶猛都是在亚洲战场上耀武扬威的日军前所未见的。
炮兵和航空兵火力准备之后，苏军以坦克为先导，步兵伴随的战术分南北中三路对日军大举进攻，苏军伞兵部队以一个旅的兵力空降袭击了日军后方的补给基地，并切断了日军的撤退路线，装甲部队两翼迂回包抄，正面步兵部队高喊着“乌拉”在坦克和重炮的掩护下向日军发动一轮又一轮排山倒海的冲击，气势压倒一切，苏军的疯狂冲锋彻底压倒了用武士道精神武装起来的日军，日军的刺刀冲锋在苏军的现代战争立体打击之下不值一晒，被苏军的密集火力打得找不着北。在苏军的冲击下，日军终于支撑不住，开始向后方溃退，共伤亡5000余人，火炮损失三分之二，而苏军因为火力占优，仅仅损失不到300人。激战之中，日军第23步兵旅团旅团长小林少将右腿被苏军打断，躺在地上痛苦的挣扎，却被溃退的日军活活踩死。步兵第72联队联队长酒井美喜雄大佐右手被苏军机枪子弹从身体上撕扯飞去，他手下所有的大队长、中队长全部战士，整个联队仅仅幸存3人。步兵第71联队森彻大佐率领残部向苏军坦克发起反冲锋，却被隆隆驶来的坦克活活碾成肉泥，战后从被碾成麻花状的指挥刀判断出他的身份。就在苏军马上就要全歼被合围日军之际，苏军最高统帅部命令停止对日本的攻击，日军第23师团全部27000余官兵仅余1400人幸存。
整个诺门坎之战，日军第23师团、第7师团、第8国境守备旅团、第1独立守备旅团、第1坦克师团损失殆尽，日军总计阵亡18000人，受伤16400余人，被俘51000余人。苏蒙军伤亡总计17600余人。日军高级军官也遭受了日军建军后从未有过的惨重损失，日军战报哀叹：“大量高级军官如此集中的战死，是日俄战争以后所没有的。”关东军总司令吉田谦吉大将引咎辞职，前线总指挥小松原中将切腹自杀，参谋长冈本中将被打断双腿而死。
关东军新任司令官梅津美治郎大将为挽回颜面，又抽调了4个师团和大量炮兵、战车、飞行部队赶赴前线，准备与苏军决一死战，但后方传来大本营命令：主动停止战斗。原来8月27日，苏德签订《苏德互不侵犯》条约，日本人感觉被德国人抛弃了，没有底气再进行战争。日本内阁颜面尽失，不得不宣布集体辞职。