20 Mayıs'a kadar Kızıl Ordu 57. Özel Nişancı Kolordusu　(57-й особый стрелковый корпус)'suna bağlı ve Kıdemli Teğmen Bykov (А. Э. Быков)'un komutası altındaki birlikleri ilerletti. Sovyet ve Moğolistan birlikleri Khalha Nehri'nin doğu sahlinde mevzilendi. Buna fark eden Komatsubara Halha Nehri'nde düşmanı imha etmeye karar verdi. Piyade 64. Alayı ()　Komutanı Albay Takemitsu Yamagata (山縣 武光) komutasındaki Yamagata Müfrezesine hareket emrini vererek 28 Mayıs hücume geçirdi.

Japon Keşif Birlikleri Rus ve Moğolların ricaat yolunu keserek müfrezeden ayırılarak yanından hücum etti. Fakat Sovyetler ve Moğolların üstün mekânize birlikleriyle Halha Nehri'nin batı sahlinde konuşlandıran topçu ateşinin desteğiyle karşı hücumuna geçti. Cephenin ortasında kuşatılan Azuma Müfrezesi 29 Mayıs'ta süngü hücumu düzenledi ve imha edildi.

Korgeneral Komatsubara durumunu inceleyerek ricaat kararını verdi. 31 Mayıs'ta Yamagata Müfrezesi de ricaat emri yüzünden geri çekildi. Sovyetler ve Moğollar da 30 Mayıs'ta Halha Nehri'nin batısına çekildi. Böylece Birinci Halha Nehri Olayı sona erdi.

Beyaz Rusya Askerî Bölgesi Komutanı Vekili Komkor ( - Kolordu Komutanı) Georgi Jukov 2 Haziran’da Moskva'ya çağrıldı ve bölgeye gitmesi emredildi. Bölgeye varan Jukov, Halha Nehri doğu sahilini savunarak derin karşı saldırıyı hazırlanacağını açıkladı. Millî Savunma Halk Komiserliği, 6 Haziran'da 57. Kolordu Komutanı Komdiv ( - Tümen Komutanı) Nikolay Feklenko (Николай Владимирович Фекленко) 'yu azlederek yerine Jukov, askerî komiserliğine tümen komiseri Mihail Nikişev (Михаил Сергеевич Никишев) ve kurmay başkanlığına Kombrig ( - Tugay Komutanı) Mihail Bogdanov () getirildi.

Her iki taraf bölgede birliklerini kurdular, kısa zamanda Japonlar savaş alanında 30.000 personele sahip oldu. Sovyetler yeni bir kolordu komutanı, Komkor Georgi Jukov'u yolladı, Jukov 5 Haziran'da bölgeye ulaştı ve çatışma alanına daha fazla motorize ve tank birliklerini getirdi. Jukov ile birlikte İspanya İç Savaşı'nda "General Duglas" lakabıyla tanınmış Yakov Smuşkeviç () de uşuç birlikleriyle bölgeye ulaştı.

27 Haziran'da Japonlar hava saldırlarını başlattı. Japon İmparatorluk Kara Kuvvetleri 2. Hava Tugayı'na bağlı 107 savaş uçağı (24 ağır bombardıman uçağı, 6 hafif bombardıman uçağı, 77 avcı uçağı) Tamsagbulag (Tamusk)'taki Sovyet hava üssüne karşı hava bombardımanı düzenledi. Ancak bu saldırı Tokyo'daki İmparatorluk Kara Kuvvetleri Genelkurmayı'nın izni almadan Kantō Ordusu () Üst Kurmayı Binbaşı Masanobu Tsuji () tarafından planlanarak sadece Kantō Ordusu'nun emriyle gerçekleştirildi. Hızlı bir şekilde olayın tırmanmasını önleme ve "Nomonhan" 'ı tutuma çabalarıyla Tokyo derhal hava birliklerine herhangi hava saldırısını yapılmayacağına dair emrini verdi.

Haziran ayı boyunca, Nomonhan yakınındaki nehrin iki tarafındaki Sovyet ve Moğolların faaliyetleri ve yalnız kalmış Mançukuo birliklerine karşı küçük çaptaki saldırları hakkında sürekli rapor edildi. Ayın sonunda, Japon 23. Tümeni Komutanı Kolgeneral Michitarō Komatsubara'a, "istilâcıları kovma" izni verildi. Japonların planı iki çatallı saldırı içindi. 23. Tümen'in Piyade 71. Alayı (, Albay Tokuzō Okamoto, 岡本 徳三) ve Piyade 72. Alayı (, Albay Mikio Sakai, 酒井 美喜雄) ve Piyade 64. Alayı (Albay Takemitsu Yamagata)'nın bir taburu ve Piyade 7. Tümen ()'den ödünç alınan Piyade 26. Alayı (, Albay Shinichirō Sumi, 須見 新一郎) olmak üzere üç alay ile bir alaydan ibaret Japon birlikleri, Halha Nehri'ni geçerek ilerledi ve nehrin batı yakasında bulunan Baintsagan Tepesi'ndeki Kızıl Ordu birliklerini imha etti. Akabinde sola dönüp güneye Kawamata Köprüsü'ne doğru ilerledi. Saldırının ikinci çatalı ise Kolgeneral Yasuoka Masaomi () komutası altında, Tank 3. Alayı (, Yarbay Kiyotake Yoshimaru, 吉丸　清武) ve Tank 4. Alayı (, Yarbay Yoshio Tamada, 玉田　美郎), Piyade 64. Alayı'nın bir kısımı, 7. Tümen'e bağlı Piyade 28. Alayı ()'nın bir taburu, İstihkam 24. Alayı ve Saha Topçu 13. Alayı (Albay Takahisde Ise, 伊勢 高秀)'ndan oluşturulan Japon Kara Kuvvetleri 1. Tank Grubu (Yasuoka Müfrezesi)'nun göreviydi. Bu birlik nehrin doğu yakası ve Haylastin Nehri (Хайластин-Гол, Holsten Nehri)'nin kuzeyinde bulunan Sovyet askerlerine saldıracaktı.

Kolgeneral Yasuoka Masaomi komutasındaki 1. Tank Grubu ()'na bağlı tanklar şunlar idi:


Kuzey kanadı Halha Nehri'ni geçmeyi başardı ve Baintsagan Tepesi'nden Sovyetleri kovalayıp batı kıyısı boyunca güneye doğru ilerledi. Fakat bu tehdidi fark eden Jukov 450 tank ve zırhlı araba ile karşı saldırıyı başlattı. Sovyet zırhlı birliği, piyadenin desteği olmamasına rağmen Japonlara üç taraftan saldırıp neredeyse onları kuşattı. Japon birliği levazım için sadece nehri üzerindeki bir dubalı köprüye sahip olması fazlasıyla yetersiz olup (köprü personelinin çoğunluğu, Çin'deki savaşa desteklemek için güneye sevkedilmiştir), 5 Haziran'da nehri tekrar geçerek geri çekilmek zorunda kaldı. Aynı anda güney kanadı oluşturan Yasuoka Müfrezesi'nin 1. Tank Grubu, nehrin batı kıyısındaki yüksek yerlerde bulunan Sovyet toplarından kaçınmak için karanlık içinde hareket edip 2 Temmuz gecesi saldırıya başlattı. Çatışmada Yasuoka Müfrezesinin zırhlı araçın yarısını kaybettiği ortaya çıktı, fakat henüz ne doğu kıyısındaki Kızıl Ordu birlikleri yarabildi ne de Kawamata Köprüsü'ne ulaşabildi. Sovyet karşı saldırısından sonra 9 Temmuz'da hırpalanmış, tüketilmiş Yasuoka Müfrezesi dağıldı ve Yasuoka kurtuldu. 3 Temmuz'da Tank 3. Alayı Komutanı Albay Kiyotake Yoshimaru, 4 Temmuz'da 23. Tümen Kurmay Başkanı Albay Tsutomu Ōuchi (大内 孜) çatışmada öldü.　8 Temmuz'da 149. Nişancı Alayı Komutanı İvan Remizov (Иван Михайлович Ремизов), 12 Temmuz'da 11. Tank Tugayı Komutanı Kombrig Mihail Yakovlev () çatışmada öldü.

Her iki ordu, müteakip iki haftada Halha Nehri'nin doğu kıyısında Haylastin Nehri ile birleştiği noktaya kadarki dört kilometrelik (2,5 mil) cephede dövüştü. Jukov, erzak üssünden 748 kilometre (465 mil) mesafesinde bulunan ordusunu tedarik etmek için 2600 kamyon filosu topladı. Öte yandan Japonlar benzer motorlu ulaşım araçların eksikliği nedeniyle şiddetli tedarik sorununun acını çekti. 23 Temmuz'da Japonlar Kawamata Köprüsü'nü koruyan Kızıl Ordu birliklerine karşı 64. ve 72. piyade alayları göndererek başka bir büyük ölçekli hücumu başlattı. Japon topçu iki günlük bir süre içinde mühimmat depolarının yarısından fazlasını tüketilen büyük bir yaylım ateşiyle saldırı destekledi. Bu saldırıda bazı ilerlemeler kaydedildiyse de Sovyet hattını yarmayı ve köprüye ulaşmayı başaramadı. Japonlar, kayıp sayısının tırmanması ve topçu depolarının tükenmesi yüzünden 25 Temmuz'da saldırından geri çekildi. Japonlar o zamana kadar beş binden fazla kayıp verdiyse de Komünist birlikleri karşısında hâlâ 75.000 personel ve birkaç yüz uçağa sahipti. Böylece muharebe çıkmaza sürüklendi.

Japon İmparatorluk Kara Kuvvetleri, 4 Ağustos 1939'da 23. Tümen'i de emir altına alan 6. Ordu () teşkil etti ve komtanlığına Korgeneral Rippei Ogisu () 'yu getirdi. Kızıl Ordu, 21 Temmuz 1939'da 57. Özel Nişancı Kolordusu'nu 1. Ordu Grubu (1-я армейская группа) olarak yeniden teşkil ederek ve yine Jukov'a komuta ettirdi.

Japon ordusu yeniden gruplaştırıldı ve 24 Ağustos'ta yapılacak Sovyetlere karşı üçüncü taarruzu planlandı. 23. Tümen Keşif Birliği 721 rakımlı tepe ("Fui" Tepesi) yi korumakta, 26., 63. ve 72. olmak üzere üç piyade tümeni Haylastin Nehri'nin kuzeyinde yer alan Balşagal Tepesi'ni korumakta, Haylastin Nehri'nin güneyinde 8. Sınır Muhafız Birliği ve Piyade 71. Alayı konuşlandırılmaktaydı. Bunların dışında Nomonhan'ın yaklaşık 65 kilometre güneyinde yer alan Handagaya'da 7. Tümen'e bağlı Piyade 28. Alayı bulunmaktaydı.

Sovyetler Birliği ile Fransa-Birleşik Krallık arasındaki müzakelenin çökmesinden ve Polonya'nın Almanya tarafından işgalinin eşiğinde olmasından dolayı, Jukov 20 Ağustos'ta başlatılacak ve Japonları Halha Nehri bölgesinden temizleyecek taarruzu planlıyordu. Jukov 4., 6. ve 11. olmak üzere üç tank tugayı ile 7. ve 8. olmak üzere iki mekânize tugaydan oluşturulan ana zırhlı birliği (498 tank ve 346 zırhlı araba) yığmıştı. Bu birlik Sovyet sol ve sağ kanadında yerleştirildi. Jukov, toplam olarak 498 BT-5 ve BT-7 (hızlı tank) ile donatılmış üç nişancı tümeni, iki tank tümeni ve iki tank tugayı ve iki motorize nişancı tümeni ve 250 avcı ve bombardıman uçağından oluşan birliklerini Japonya'ya karşı konuşlandırdı. Moğollar ise iki süvari tümeni görevlendirdi.

Kızıl Ordu'nun taarruzu için hazırladığı birlikler şöyleydi:

Kantō Ordusu saldırı noktasında sadece iki hafif piyade tümeni topladı ve Kolgeneral Michitarō Komatsubara'nın 23. Tümen'inin karargâhı savaş alanından 150 kilometreden fazla uzaklıkta Mançukou'nun Hsingan bölgesinin başkenti olan Hailar'da bulunmaktaydı. Japon istihbaratı Sovyetlerin hazırlığın ölçüsü ve Jukov'un saldırı planının kapsamını saptayamadı.

Jukov çıkmazı bozma zamanın geldiğine kararlaştı. 20 Ağustos 1939, saat 05:45'te, 300 avcı ve bombardıman uçağının eşiliğiyle Japon mevzilerine karşı topçu yaylım ateşi başladı. Sovyet Hava Kuvvetleri'nin ilk avcı/bombardıman taarruzu oldu. Halha Nehri'nin batı kıyısını korumak için 1. Ordu Grubu'na bağlı yaklaşık 50.000 Sovyet ve Moğol askerleri konuşlandırıldı.

Japonlar Sovyet merkezi birimlerin ilerlemesiyle tespit edildi ve zırhlı birimler kanatları süpürdü ve arkasından Japonlara saldırıp iletişim hatlarını keserek Japonların umutsuz karşı saldırılarını (piyadelerin geleneği olarak Japon İmparatorluk Kara Kuvvetleri'nin subayları, amacı ne olursa olsun, askerlerini hücum ettirirken genelde kılıç kullandılar.) atlattı ve klasik kıskaç hareketi gerçekleştirdi.

23 Ağustos'ta Japon 6. Ordusu karargâhını cepheye taşıdı ve Güney Cephesi'nde karşı saldırıya girişti.

25 Ağustos'ta Jukov'un taarruzunun iki pençesinin Nomonhan köyünde bağlantı kurduğunda 23. Tümen tuzağa düşürüldü. 26 Ağustos'ta 23. Tümen'i kurtarmayı amaçlayan Japon karşı saldırısı başarısız oldu. 27 Ağustos'ta 23. Tümeni kuşatmayı yarmaya giriştiyse de başarısız oldu. Kuşatılmaş kuvverlerinin teslim olmasını reddedince Jukov