月20日，苏军渡河。日军的作战策略则是以前线部队阻挡敌军进攻，等待苏军的进攻力减弱后，以援军从侧面包围苏军。但是苏联闪电战式的立体机动作战，特别是大量投入的装甲兵，突破日军防线。8月24日，苏军南北两翼在诺门罕合围。两个日本关东军师团（第7师团及第23师团）的主力被包围。8月27日，日军最后突围。此次战役最后导致关东军司令官植田谦吉辞职，前线总指挥小松原一年后病死，参谋长冈本德三在突围时一只脚被手榴弹炸断。
参战序列.
苏蒙军.苏军第36摩步师第